[論文レビュー] XENON1T anomaly from anomaly-free ALP dark matter

Fuminobu Takahashi, Masaki Yamada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、数keVの質量と電子との結合定数 $g_{ae} \sim 10^{-13}$ を持つ、異常フリーな軸子様粒子（ALP）暗黒物質がXENON1Tの電子反動過剰の原因であると提案する。このALPは、光子との結合を抑制することによりU(1)異常を回避し、星の冷却異常を同時に説明するとともに、検出可能なX線ライン信号を予測する。ALPが暗黒物質の約10%を占める場合、ATHENAの感度によってその妥当性が裏付けられる。

ABSTRACT

Recently, an anomalous excess was found in the electronic recoil data collected at the XENON1T experiment. The excess may be explained by an axion-like particle (ALP) with mass of a few keV and a coupling to electron of $g_{ae} \sim 10^{-13}$, if the ALP constitutes all or some fraction of local dark matter (DM). In order to satisfy the X-ray constraint, the ALP coupling to photons must be significantly suppressed compared to that to electrons. This strongly suggests that the ALP has no anomalous couplings to photons, i.e., there is no U(1)$_{ m PQ}$-U(1)$_{ m em}$-U(1)$_{ m em}$ anomaly. We show that such anomaly-free ALP DM predicts an X-ray line signal with a definite strength through the operator arising from threshold corrections, and compare it with the projected sensitivity of the ATHENA X-ray observatory. The abundance of ALP DM can be explained by the misalignment mechanism, or by thermal production if it constitutes a part of DM. In particular, we find that the anomalous excess reported by the XENON1T experiment as well as the stellar cooling anomalies from white dwarfs and red giants can be explained simultaneously better when the ALP constitutes about 10\% of DM. As concrete models, we revisit the leptophilic anomaly-free ALP DM considered in [Phys.Lett.B 734 (2014) 178-182] as well as an ALP model based on a two Higgs doublet model in the supplemental material.

研究の動機と目的

• keVスケールの軸子様粒子（ALP）暗黒物質候補によって、XENON1Tの電子反動過剰を説明すること。
• 光子との結合を電子より弱く抑えることで、ALPモデルが異常フリーであることを保証すること。
• 白色矮星および赤色巨星で観測された星の冷却異常と、XENON1Tの過剰を同時に説明すること。
• ALPの崩壊から生じる検出可能なX線ライン信号を予測し、ATHENA宇宙望遠鏡による検証可能性を示すこと。
• 観測されたALP暗黒物質密度を自然に生成できるメカニズム（ミスアライメントまたは熱的生成）を検討すること。

提案手法

• 電子に強く結合するが光子には弱く結合するレプチロフィリックALPを備えたU(1)ゲージ対称性モデルを構築し、異常フリーを確保する。
• しきい値補正を用いて、次元5のオペレーターを生成し、ALPの二光子崩壊を誘導することで検出可能なX線ライン信号を生じさせる。
• X線ラインの放射度を計算し、ATHENA X線望遠鏡の予想感度と比較する。
• 必要なALP暗黒物質密度を生成するため、ミスアライメント機構または熱的生成を実装する。
• X線観測および星のエネルギー損失からの制約を用いて、ALPの結合定数を固定する。
• 補足資料で2つの具体的なモデルを再検討および拡張する：レプチロフィリックALPモデルおよび2ヒッグスダブルレットモデルの変種。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常フリーなALP暗黒物質モデルは、U(1)異常を破らずにXENON1Tの電子反動過剰を説明できるか？
• RQ2 ALP崩壊から予測されるX線ライン信号はどの程度で、ATHENA望遠鏡の検出可能範囲内に収まるか？
• RQ3 ALPの電子および光子との結合定数は、XENON1Tの過剰と星の冷却異常の両方を説明する能力にどのように制限を加えるか？
• RQ4 XENON1Tの過剰と星の冷却データの両方を同時に説明するためには、ALPが暗黒物質のどの程度を占めなければならないか？
• RQ5 観測されたALP密度は、ミスアライメントまたは熱的生成のメカニズムによって自然に生成可能か？

主な発見

• XENON1Tの過剰は、$g_{ae} \sim 10^{-13}$ のkeVスケールのALPによって説明され、電子には強く結合するが光子には弱く結合することで異常を回避する。
• ALPモデルは、しきい値補正によって生じる次元5オペレーターを通じて、二光子崩壊から明確なX線ライン信号を予測する。
• 予測されるX線ライン放射度は、ATHENA X線望遠鏡の感度範囲内にあり、将来的な検証が可能である。
• ALPの放射によってエネルギー損失が増加するため、白色矮星および赤色巨星における星の冷却異常を同時に説明できる。
• XENON1Tの過剰と星の冷却データの両方に最もよく合うように、ALP暗黒物質は全暗黒物質密度の約10%を占める。
• ALP密度は、モデルパラメータに応じてミスアライメント機構または熱的生成によって自然に生成可能である。