[論文レビュー] Xenon1T anomaly: Inelastic Cosmic Ray Boosted Dark Matter

Liangliang Su, Wenyu Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、地球の大気に存在する非弾性な宇宙線衝突を、速い運動をする軽いダークマター（大気ダークマター、ADM）の源として提案する。このモデルは、電子散乱を通じてXenon1Tの電子反跳過剰を説明可能である。モデルは散乱断面積を $\sigma_e \sim 10^{-38}-10^{-39}$ cm$^2$ と予測し、既存の直接検出制約を回避しながら観測データに適合する。

ABSTRACT

Very recently, the Xenon1T collaboration has reported an intriguing electron recoil excess, which may imply for light dark matter. In order to interpret this anomaly, we propose the atmospheric dark matter (ADM) from the inelastic collision of cosmic rays (CRs) with the atmosphere. Due to the boost effect of high energy CRs, we show that the light ADM can be fast-moving and successfully fit the observed electron recoil spectrum through the ADM-electron scattering process. Meanwhile, our ADM predicts the scattering cross section $\sigma_e \sim {\cal O}(10^{-38}- 10^{-39}$) cm$^{2}$, and thus can evade other direct detection constraints. The search for light meson rare decays, such as $\eta o \pi + \slashed E_T$, would provide a complementary probe of our ADM in the future.

研究の動機と目的

• Xenon1T実験が観測した未解明の電子反跳過剰を説明すること。
• 地球の大気における非弾性な宇宙線相互作用を通じた軽いダークマターの新しい生成メカニズムを探索すること。
• 加速された、速い運動をするダークマターが電子散乱を通じて観測された反跳スペクトルを再現可能であることを示すこと。
• 予測された散乱断面積が他の直接検出実験からの制約を回避できることを示すこと。
• 将来的なモデルの検証に向けた補足的プローブ（例：レアなメソン崩壊）を同定すること。

提案手法

• 高エネルギー宇宙線と大気中の核種との非弾性衝突を通じて軽いダークマターを生成するモデルを構築する。
• 宇宙線からの相対論的ブースト効果を適用し、検出可能な電子反跳を引き起こすのに十分な運動エネルギーを持つ高速なダークマター粒子を生成する。
• Xenon1Tのデータで制約されるADM-電子相互作用を用いて、電子散乱断面積を計算する。
• 宇宙線衝突からのブースト因子を用いて、生成されたダークマターの速度分布を決定する。
• 予測された反跳スペクトルをXenon1Tのデータと比較し、整合性を評価する。
• 散乱断面積の大きさを評価することで、既存の直接検出制約との適合性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気中の非弾性な宇宙線衝突が、Xenon1Tの電子反跳過剰を説明できる軽いダークマター粒子を生成できるか？
• RQ2 観測データに適合させるために必要なダークマター-電子散乱断面積はどの程度か？
• RQ3 宇宙線からの相対論的ブースト効果が、ダークマターの運動学的性質および検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 このモデルは、他の直接検出実験からの厳密な制約を回避できるか？
• RQ5 将来的に、この大気ダークマターのシナリオを検証するためのどのような実験的プローブが考えられるか？

主な発見

• 本モデルは、大気中の非弾性な宇宙線衝突によって生成される軽いダークマターを用いて、Xenon1Tの電子反跳過剰を成功裏に再現した。
• 予測されたダークマター-電子散乱断面積は $\sigma_e \sim 10^{-38}-10^{-39}$ cm$^2$ であり、観測データと整合的である。
• 高エネルギー宇宙線からのブースト効果により、高速で運動するダークマターが生成され、電子散乱における検出可能性が向上する。
• ダークマター候補の質量が軽く、断面積が小さいことから、本モデルは他の直接検出実験からの制約を回避できる。
• 将来の実験でモデルを検証するための補足的プローブとして、$\eta \to \pi + \slashed{E}_T$ のようなレア崩壊が同定された。