[論文レビュー] Low energy binding of composite dark matter with nuclei as a solution for the puzzles of dark matter searches

Maxim Khlopov, A. G. Mayorov+1 more|ArXiv.org|Nov 30, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、二価電荷を帯びた粒子とヘリウムが結合した状態であるOヘリウム（OHe）という複合暗黒物質が、DAMA/NaIおよびDAMA/LIBRA実験で観測された年間モダレーション信号を説明できる可能性を提唱している。OHeがヤクビ型核力ポテンシャルとクーロン反発力によってナトリウムおよびヨウ素の原子核と相互作用する際のシュレーディンガー方程式を解くことで、妥当な核パラメータのもとで2–6 keVの結合エネルギーが可能であることが示され、DAMAが観測したモダレーションと一致するイオン化信号が得られる一方、エネルギー抑制および電気双極子障壁のため、CDMSなどの他の検出器では信号が抑制される。

ABSTRACT

Positive results of dark matter searches in experiments DAMA/NaI and DAMA/LIBRA taken together with negative results of other groups can imply nontrivial particle physics solutions for cosmological dark matter. Stable particles with charge -2 bind with primordial helium in O-helium "atoms" (OHe), representing a specific Warmer than Cold nuclear-interacting form of dark matter. Slowed down in the terrestrial matter, OHe is elusive for direct methods of underground Dark matter detection like those used in CDMS experiment, but its low energy binding with nuclei can lead to annual variations of energy release in the interval of energy 2-6 keV in DAMA/NaI and DAMA/LIBRA experiments. Schrodinger equation for system of nucleus and OHe is solved for a spherically symmetrical potential, formed by the Yukawa tail of nuclear scalar isoscalar attraction potential, acting on He beyond the nucleus, and dipole Coulomb repulsion between the nucleus and OHe at distances from the nuclear surface, smaller than the size of OHe. The values of coupling strength and mass of meson, mediating scalar isoscalar, are rather uncertain. Within the uncertainties of parameters of nuclear potential we find a range of these parameters, at which the sodium and/or iodine nuclei have a few keV binding energy with OHe. At nuclear parameters, reproducing DAMA results, the energy release predicted for detectors with chemical content other than NaI differ in the most cases from the one in DAMA detector. In particular, it is shown that in the case of CDMS germanium state has binding energy with OHe beyond the range of 2-6 keV and its formation should not lead to ionization in the energy range of DAMA signal. (abridged)

研究の動機と目的

• DAMA/NaIおよびDAMA/LIBRAの陽性結果と、他の直接検出実験の陰性結果との長年の矛盾を解消すること。
• Oヘリウム（OHe）という複合暗黒物質が、2–6 keVのエネルギー範囲で観測された年間モダレーションを説明できるかどうかを調査すること。
• ナトリウムおよびヨウ素の原子核とOHeが低エネルギー束縛状態を形成する条件を調査し、DAMAの信号と整合するものかを検証すること。
• OHeのシナリオの検証可能なシグネチャとしての、ナトリウムおよびヨウ素の異常な超重同位体の存在を予測すること。
• OHeが非熱的で核反応を示す暗黒物質候補として、異常な水素／ヘリウム同位体の過剰生成を回避できるかを評価すること。

提案手法

• 核力ポテンシャルのヤクビ的尾ていと短距離での電気双極子クーロン反発力を持つ球対称ポテンシャルとしてOHe-原子核系をモデル化する。
• 相対運動のための径方向形式にシュレーディンガー方程式を還元し、4つの領域（OHe内部、核ポテンシャル井戸内、中間領域、外部古典的禁制領域）で解く。
• 核ポテンシャルの簡略化のため、長方形井戸近似を用い、パラメータ空間を探索する。
• 領域間の波動関数の対数微分の境界条件を適用し、束縛状態エネルギーを決定する。
• 連続性条件から導かれる超越方程式系を解くことで、OHeとナトリウム・ヨウ素原子核の結合エネルギーを計算する。
• 電気双極子クーロン障壁による高エネルギー状態への遷移の抑制を評価し、他のエネルギー範囲でのイオン化信号が観測されない理由を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Oヘリウム（OHe）は、2–6 keVの結合エネルギーでナトリウムおよびヨウ素の原子核と束縛状態を形成できるか？ これはDAMAの信号と整合するか？
• RQ2 OHeが原子核に結合するなら、なぜCDMSなどの他の直接検出実験では信号が観測されないのか？
• RQ3 電気双極子クーロン障壁は、高エネルギー状態への遷移をどのように抑制し、高エネルギーイオン化信号が観測されない理由を説明するのか？
• RQ4 OHeシナリオのもとで、DAMA検出器内におけるナトリウムおよびヨウ素の異常な超重同位体の存在にどのような意味があるか？
• RQ5 地球の運動がOHeのフラックスを年間周期で変調させ、捕獲率に時間依存性をもたらすことで、DAMA信号の年間モダレーションを説明できるか？

主な発見

• 核パラメータの不確実性と長方形井戸近似のもとで、OHeはナトリウムおよび／またはヨウ素の原子核と2–6 keVの範囲の結合エネルギーを持つ束縛状態を形成でき、DAMAの信号窓と一致する。
• 電気双極子クーロン障壁は高エネルギー状態への遷移を強く抑制し、DAMAにおいて2–6 keV範囲外では顕著なイオン化信号が観測されない理由を説明する。
• ゲルマニウムを用いるCDMSのような検出器では、OHeと原子核の結合エネルギーが2–6 keV範囲外に位置し、そのエネルギー窓ではイオン化が生じない。
• このモデルは、OHe質量にほぼ等しい増加分の質量を持つナトリウムおよびヨウ素の異常な超重同位体の形成を予測しており、質量分離法による検出が可能である。
• 地下検出器におけるOHe濃度の緩和時間は数分のオーダーであり、外部からのフラックスの年間モダレーションが捕獲率に迅速に反映される。
• 提案されたメカニズムは、エネルギー抑制および検出器固有の核反応特性のおかげで、DAMAの信号を一貫して説明可能であり、他の実験の陰性結果とも両立可能である。