[論文レビュー] On the relation between Migdal effect and dark matter-electron scattering in atoms and semiconductors

Rouven Essig, Josef Pradler+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、ダークマター-電子散乱とミグダル効果（電子放出を伴うダークマター-核子散乱）の間の理論的マッピングを確立し、希土類液体および半導体におけるイオン化率の相互推定を可能にする。半導体における最初の結晶形因子に基づくイオン化率推定が行われ、XENONおよびSENSEIのデータを用いて500 keVまで低下したダークマター質量に対する新たな制限が得られ、ダークフォトン媒介の系において100 MeV未満では電子散乱が支配的であることが示された。

ABSTRACT

A key strategy for the direct detection of sub-GeV dark matter is to search for small ionization signals. These can arise from dark matter-electron scattering or when the dark matter-nucleus scattering process is accompanied by a electron. We show that the theoretical descriptions of both processes are closely related, which allows for a principal mapping between dark matter-electron and dark matter-nucleus scattering rates once the dark matter interactions with matter are specified. We explore this parametric relationship for noble-liquid targets and, for the first time, provide an estimate of the ionization rate in semiconductors that is based on evaluating a crystal form factor that accounts for the semiconductor band structure. We also present new dark-matter-nucleus scattering limits down to dark matter masses of 500 keV using published data from XENON10, XENON100, and a SENSEI prototype Skipper-CCD. For a dark photon mediator, the dark matter-electron scattering rates dominate over the Migdal rates for dark matter masses below 100 MeV. We also provide projections for proposed experiments with xenon and silicon targets.

研究の動機と目的

• 100 MeV未満のダークマター検出を目的とした、ダークマター-電子散乱とミグダル効果を結びつける理論的枠組みを確立すること。
• バンド構造を考慮した結晶形因子を用いて、半導体におけるイオン化率を推定すること。
• 公開済みのXENON10、XENON100、およびSENSEIのスカッパーCCDデータを用いて、500 keVまで低下したダークマター-核子散乱断面積の新たな制限を導出すること。
• キセノンおよびケイ素を用いた将来的な実験の感度を予測すること。

提案手法

• 指定されたダークマター-マター相互作用に基づき、ダークマター-電子散乱とミグダル効果のレートの間のパラメトリック関係を導出すること。
• 形式的理論を希土類液体標的に適用し、ダークマター-核子散乱に伴う電子放出によるイオン化率を推定すること。
• 半導体のバンド構造から導出された結晶形因子を導入し、半導体におけるイオン化率を初めて計算すること。
• XENON10、XENON100、およびSENSEIのプロトタイプ・スカッパーCCDから得られた公開実験データを用いて、ダークマター-核子散乱断面積の制限を設定すること。
• 同じ理論的枠組みの下で、キセノンおよびケイ素標的を用いた将来的な実験の感度を予測すること。
• 100 MeV未満のダークフォトン媒介相互作用において、電子散乱がミグダル効果を上回る条件を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 MeV未満のダークマター検出の文脈において、ダークマター-電子散乱とミグダル効果の理論的記述はどのように関連しているか？
• RQ2 結晶バンド構造を考慮した場合、ダークマター-核子散乱に起因する半導体におけるイオン化率はどの程度か？
• RQ3 XENONおよびSENSEIのデータを用いて、質量が500 keVにまで低下したダークマター-核子散乱の新たな制限は何か？
• RQ4 ダークフォトン媒介のダークマターにおいて、電子散乱がミグダル効果を上回る条件は何か？
• RQ5 統一理論的枠組みの下で、キセノンおよびケイ素実験の予想感度はどのように比較されるか？

主な発見

• ダークマター-電子散乱とミグダル効果の間の主要なマッピングが確立され、異なる標的材料におけるレート推定が可能になった。
• バンド構造効果を組み込んだ、半導体における最初の結晶形因子に基づくイオン化率推定が得られた。
• XENON10、XENON100、およびSENSEIのスカッパーCCDプロトタイプのデータを用いて、500 keVまで低下したダークマター-核子散乱断面積の新たな制限が設定された。
• ダークフォトン媒介の系において、ダークマター質量が100 MeV未満では、電子散乱レートがミグダルレートを上回ることが示された。
• 理論的枠組みにより、将来的なキセノンおよびケイ素ベースの実験の感度を一貫して予測可能となった。