[論文レビュー] Gauged lepton number and cosmic-ray boosted dark matter for the XENON1T excess

Yongsoo Jho, Jong-Chul Park+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、XENON1Tの過剰反応を説明する2つのシナリオを提案する：(1) $U(1)_{L_e-L_i}$ゲージボソンが太陽ニュートリノ-電子散乱を強化し、電子反動を増加させる；(2) 宇宙線電子が同じゲージ相互作用を通じてダークマターをkeVスケールのエネルギーに加速し、検出可能な電子反動を生成する。このモデルは、将来の赤外望遠鏡を用いた観測で検証可能な、中性子星の温度上昇を予測する。

ABSTRACT

The recently reported excess in XENON1T is explained by two scenarios with and without a dark matter interaction with the gauged lepton number, $U(1)_{L_e-L_i}$, $i=\mu$ or $ au$. In Scenario#1, the gauge boson provides non-standard interaction between solar neutrino and electron that enhances the number of electron recoil events in the XENON1T detector. In Scenario#2 with the gauge coupling to dark matter, dark matter can be boosted by cosmic electrons and generate electron recoil energy up to $\mathcal{O}({ m keV})$ to explain the XENON1T result. The dark matter, aided by the new gauge interaction, could heat up a neutron star more than 1500 K as a neutron star captures the halo dark matter. Therefore, we propose to utilize the future infrared telescope to test our scenario.

研究の動機と目的

• 未解明のXENON1Tの低エネルギー電子反動過剰反応を説明すること。
• ゲージ化されたレプトン数対称性 $U(1)_{L_e-L_i}$ がこの過剰反応を説明できるかどうかを検討すること。
• 直接検出で観測可能な信号を生成できる、$U(1)_{L_e-L_i}$ ゲージボソンによって媒介されるダークマター相互作用を調査すること。
• 特に、中性子星への加熱効果を含めた、このようなダークマターの天体物理学的影響を評価すること。

提案手法

• 電子とダークマターにカップリングする新しいゲージボソンを伴う $U(1)_{L_e-L_i}$ ゲージ対称性を導入する。
• ゲージボソンを介した太陽ニュートリノと電子の非標準的相互作用をモデル化し、電子反動率の増加を実現する。
• ダークマターがゲージボソンにカップリングすることを含め、宇宙線電子がダークマターをkeVスケールの運動エネルギーに加速するメカニズムを導入する。
• XENON1Tにおける結果として得られる電子反動スペクトルを計算し、観測された過剰反応と一致させる。
• ゲージ相互作用によるエネルギーの沈殿とダークマターの捕獲によって引き起こされる中性子星の加熱を推定する。
• 将来的な赤外望遠鏡による中性子星温度観測を通じて、このシナリオを検証することを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XENON1Tの過剰反応は、$U(1)_{L_e-L_i}$ ゲージボソンを介したニュートリノ-電子散乱の増強によって説明可能か？
• RQ2 同じゲージ相互作用を通じて、宇宙線電子がダークマターをkeVスケールのエネルギーに加速し、検出可能な電子反動を生成できるか？
• RQ3 $U(1)_{L_e-L_i}$ 相互作用を介したダークマター捕獲とエネルギー沈殿によって、中性子星の温度上昇はどの程度予測されるか？
• RQ4 このシナリオにおいて、$U(1)_{L_e-L_i}$ ゲージボソンはダークマターと標準模型粒子の間でどのように相互作用を媒介するか？
• RQ5 将来的な赤外望遠鏡が予測された中性子星加熱を検出できるか。これにより、モデルの裏付けとなる間接的証拠が得られるか？

主な発見

• XENON1Tの過剰反応は、$U(1)_{L_e-L_i}$ ゲージボソンが太陽ニュートリノ-電子散乱を強化することで、追加の電子反動が生じることで説明可能である。
• 代替的な説明として、宇宙線電子がゲージ相互作用を通じてダークマターをkeVスケールのエネルギーに加速し、観測された反動スペクトルを生成することが可能である。
• このモデルは、ゲージ相互作用によるエネルギー沈殿のおかげで、中性子星が1500 Kを超えて加熱されることを予測する。
• この加熱効果は、将来的な赤外望遠鏡による観測で検証可能な明確な天体物理学的シグナルを提供する。
• $U(1)_{L_e-L_i}$ ゲージ対称性は、XENON1Tの過剰反応、ダークマター相互作用、中性子星の物性論を統合する一貫したフレームワークを提供する。