[論文レビュー] Pseudo-Dirac Dark Matter in XENON1T

Wei Chao, Yu Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、XENON1Tの電子反跳過剰を説明するため、10 GeVの質量と2つのメジャナナ成分間の4 keVのスプリングを有する擬似ディラック暗黒物質モデルを提案する。荷電スカラー媒介子を介する降下散乱過程 $\eta_b e \to \eta_a e$ は、観測された2–3 keVの過剰を再現し、正しいリリック密度を達成し、ユニタリティのヤコビ係数を有することで、コライダー制約を満たす。

ABSTRACT

The XENON1T dark matter experiment recently reported 0.65 ton-year exposure measurement on electron recoils , which shows an excess in $2\sim 3$ KeV recoils above the detector background. In this paper we present a Pseudo-Dirac dark matter scenario to explain the excess via inelastic dark matter-electron scattering. With a KeV scale mass splitting between the two components of the Pseudo-Dirac dark matter, the slightly excited component can down-scatter on electrons. The desired dark matter masses are about 10 GeV with a 4 KeV mass-splitting and unity coupling to electrons, which generate the observed XENON1T recoil events, give the appropriate dark matter relic abundance and satisfy collider search limits.

研究の動機と目的

• XENON1Tの2–3 keV範囲における電子反跳過剰を説明すること。この過剰は、予想されるバックグラウンドを3.5σ上回っている。
• 標準的な弾性散乱モデルを避けるために、非弾性暗黒物質-電子散乱を有効な説明として探求すること。
• リリック密度と直接検出信号を再現できる、$Z_2$対称性で安定化された擬似ディラック暗黒物質モデルを構築すること。
• コライダー制約および新しい物理学に関する天体的制約と両立可能であることを保証すること。

提案手法

• 質量スプリング $\mu \sim 4$ keVを有する2つのメジャナナ成分 $\eta_a$ と $\eta_b$ から成る擬似ディラックフェルミオンを導入する。
• 暗黒物質を安定化するための $Z_2$ 対称性を導入し、右巻き電子と荷電スカラーシングレット $\varphi^+$ を介して結合する。
• 有効相互作用ラグランジアンを導出し、低運動量極限における $\eta_b e \to \eta_a e$ の散乱振幅を計算する。
• 原子形因数と検出器のスメアリングを用いて、反跳スペクトルをモデル化するための微分断面積 $d\sigma v / dE_R$ を用いる。
• 共凝縮過程を介したリリック密度の計算を用いて、モデルパラメータを制約する。
• エネルギー分解能および効率を含めたXENON1Tの観測データと予測信号スペクトルを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非弾性暗黒物質-電子散乱を伴う擬似ディラックフェルミオンは、XENON1Tの2–3 keVの電子反跳過剰を説明できるか？
• RQ2 観測されたイベントレートとエネルギースペクトルを再現するための必要な暗黒物質の質量と質量スプリングは何か？
• RQ3 わずかな質量スプリングのもとで共凝縮を介して正しいリリック密度を達成しつつ、コライダーおよび天体的制約を満たすモデルは可能か？
• RQ4 $Z_2$ 対称性を持つ擬似ディラック構造は、散乱断面積および検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 このモデルは、奇妙なニュートリノ相互作用やオービット状粒子を導入することなく、過剰を説明できるか？

主な発見

• 10 GeVの質量と成分間の4 keVの質量スプリングを有する擬似ディラック暗黒物質モデルは、2–3 keV範囲のXENON1Tの電子反跳過剰をうまく説明できる。
• 荷電スカラーを介する降下散乱過程 $\eta_b e \to \eta_a e$ は、微分断面積 $\sigma_0 \approx \zeta^4 \mu^2 / (64\pi M_\varphi^4)$ を生成し、$\zeta = 1$ および $M_\varphi = 300$ GeV の条件下で、観測データと整合する信号をもたらす。
• わずかな質量スプリングのもとで $\eta_a$ と $\eta_b$ の共凝縮を介して、観測された暗黒物質のリリック密度を達成できる。
• 予測された信号スペクトルはXENON1Tのデータとよく一致し、2–3 keVの窓においてバックグラウンドを超えた過剰が明確に観測される。
• モデルはコライダー制約と両立しており、axionやニュートリノ磁気モーメントに関する天体的制約とも矛盾しない。
• 小さな質量スプリングと整合的結合のおかげで、有効散乱断面積が増幅され、keVスケールのエネルギーで検出可能なレートが実現可能である。