[論文レビュー] Nano meter Size Dirty Dark Matter Pearls, electron-signal, IMP or SIDM, not WIMP

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、星間ダスト粒子に埋め込まれた高圧力の真空中空気（3.5 keVの電子準位のHOMO-LUMOギャップを有する）からなるナノスケールの「ダスト入りダークマター・パール」モデルを提案する。このモデルは、DAMA-LIBRAの年間周期変調と3.5 keV X線線を電子の再結合によって説明し、電子のみの信号を予測する。これはWIMPではなく、相互作用型の巨大粒子（IMP）または自己相互作用ダークマター（SIDM）モデルである。

ABSTRACT

Through several articles we have developed a model for dark matter as consisting of bubbles of a new (speculated) type of vacuum, starting from cm-sized pearls or balls down to atomic size ones and now we believe they have nanometer sizes. In the latest development of our model we have the bubbles of the new vacuum imbedded in dust grains very similar to the grains present in interstellar and intergalactic space anyway, although the presence of the bubble with a very large homolumo gap in its single electron spectrum influences the dust grain material so as to become denser and harder. We have earlier explained how our dark matter particles get stopped in the shielding, so that normally expected nucleonic collisions are not observable. The signal of the dark matter in the underground experiments rather becomes decays of excited particles actually with the energy of the homolumo gap, which is also equal to the photon energy of the X-ray line presumably observed astronomically from galaxy clusters etc. A new calculation here is a fitting of the velocity dependence of the dark matter self-interaction as estimated by Correa [15], using deviations from the only gravitationally interacting dark matter in dwarf galaxies. Let us stress that apart from the speculated new vacuum we have no new physics, and if the couplings in the Standard Model were adjusted to make degenerate vacua as speculated according to our Multiple Point Principle (MPP) we would only need the Standard Model, so dark matter would not require new physics.

研究の動機と目的

• Xeベースの実験でのnull結果とDAMA-LIBRAが観測した年間周期変調との不一致を解消すること。
• 銀河団や超新星残骸で観測された持続的な3.5 keV X線線を、ダークマターの脱励起の印として説明すること。
• 標準模型を超える新しい物理を必要とせず、多重点原理を用いてHOMO-LUMOギャップを有する真空中空気に基づくダークマター・モデルを提唱すること。
• 矮星銀河での速度依存性のあるダークマター自己相互作用断面積比σ/Mを、密度が高くダストで覆われたパール構造によって説明すること。
• HOMO-LUMOギャップを越えて励起・崩壊する電子による電子のみの信号が、なぜ電子感受性実験でのみダークマターが検出されるかを説明すること。

提案手法

• ナノスケールの真空中空気（R ≈ 10⁻⁹ m）をダークマターとみなす。これは星間ダスト粒子に埋め込まれており、高圧力物質（例えば炭素）で満たされている。
• X線および電子信号の主な放出エネルギーとして、パールの電子スペクトルから導かれるHOMO-LUMOギャップエネルギー（3.5 keV）を用いる。
• 励起寿命と地球通過時間の比較に基づき、地下検出器への運動エネルギー移動の抑制を次元的議論で推定する。
• 矮星銀河の観測から得られた速度依存性σ/M比を、パールが密度が高く硬い物体として振る舞うと仮定して、モデルの予測される相互作用断面積にフィットさせる。
• 銀河団とティコの超新星残骸からの観測された3.5 keV X線強度を用い、特にξ_fS^{1/4}/ΔVの比を制約する。
• 3.5 keVエネルギーを理論的パラメータとしてモデルに取り入れ、天体物理学的観測に合わせてキャリブレーションし、質量および半径の制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ電子のみの実験（例：DAMA-LIBRA）はダークマターを検出できるが、核反動実験（例：Xenon1T）では検出できないのか？
• RQ2 銀河団や超新星残骸で観測された3.5 keV X線線を、ダークマター崩壊と整合する物理的メカニズムで説明できるか？
• RQ3 新しい基本的相互作用を導入せず、観測された速度依存性のあるダークマター自己相互作用断面積比（σ/M）をどのように説明できるか？
• RQ4 DAMA-LIBRAの観測された年間周期変調は、3.5 keV遷移を持つ長寿命の励起状態のダークマター・パールによって説明可能か？
• RQ5 3.5 keV信号とσ/Mの速度依存性を両方再現できるダークマター・パールの質量およびサイズ制約は何か？

主な発見

• モデルは、ナノスケールの真空中空気におけるHOMO-LUMOギャップからの3.5 keV電子遷移エネルギーを予測し、銀河団で観測された3.5 keV X線線と一致する。
• DAMA-LIBRAの年間周期変調率（0.041 cpd/kg）は、粗い次元的推定によるエネルギー移動で再現され、抑制因子は空気で約6×10⁻¹⁰、石で約6×10⁻¹⁴となる。
• 矮星銀河での観測されたσ/M比（v→0で15 m²/kg）は、半径10⁻⁹ m、質量約3×10⁻¹⁵ kgのパールのモデル予測と整合する。
• ティコの超新星残骸からの3.5 keV X線線は、宇宙線誘発のダークマター・パール励起によって説明され、宇宙線エネルギーの約1%がX線に変換される。
• 3.5 keVエネルギーは、DAMA-LIBRA（電子イベント）、Xenon1T（電子反動過剰）、天体的X線線の3つの独立した観測で一貫して現れる。
• 質量および半径の推定値は、R ≈ 10⁻⁹ m（1.2×10⁻⁹ mの不確実性）およびM ≈ 3×10⁻¹⁵ kg（200%の不確実性）であり、より大きな値も異なる仮定下で可能で、いずれもナノスケールのダストを含む真空中空気と整合する。