[논문 리뷰] Atomic Size Pearls being Dark Matter giving Electron Signal

C. D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 05.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 암흑물질이 압축된 원자물질을 포함한 원자 크기의 진공 bubbles('pearls')와 그 주변의 전자 구름으로 구성되어 있으며, 이는 3.5 keV X선 선과 DAMA-LIBRA 및 Xenon1T에서 관측된 전자 유사 신호를 모두 설명한다. 이 모델은 자성 상호작용 데이터를 희귀은하계에서 잘 맞추며, 탐지기에서 정지하는 동안 전자 탈양자화가 관측된 신호를 생성한다고 예측한다. 핵심 예측은 DAMA와 Xenon1T에서 kg당 동일한 사건 빈도를 가지며, 관측된 250배의 비율은 고체 NaI와 액체 크세논에서의 정지 시간이 다를 수 있기 때문일 수 있다.

ABSTRACT

We seek to explain both the seeming observation of dark matter by the seasonal variation of the DAMA-LIBRA data and the observation of "electron recoil" events at Xenon1T in which the liquid Xe scintillator was excited by electrons - in excess to the expected background - by the same dark matter model. In our model the dark matter consists of bubbles of a new type of vacuum containing ordinary atomic matter, say diamond, under high pressure ensured by the surface tension of the separation domain wall. We also seek to explain the self interactions of dark matter suggested by astronomical studies of dwarf galaxies and the central structure of galaxy clusters. The interaction with matter in the shielding is responsible for slowing the dark matter down to a low terminal velocity, so underground detectors have insufficient energy for detection. Further we explain the "mysterious" X-ray line of 3.5 keV, even the 3.5 keV X-ray radiation from the Tycho supernova remnant. The DAMA-LIBRA and Xenon1T experiments see decaying dark matter pearls. Both these underground experiments see events with about 3.5 keV energy, just the energy of the X-ray line. We fit numerically the cross section over mass ratio for the self interaction of the dark matter as observed in the study of dwarf galaxies and find the size of the pearls to be rather close to the smallest possible in our model. However DAMA cause some problem to get heavier pearls. Also the total energy of the dark matter pearls stopped in the shield is reasonably matching. Accepting the different phases of the vacuum the model could be realized inside the Standard Model, our whole scheme could be realized inside the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 단일 암흑물질 모델을 사용하여 DAMA-LIBRA의 계절적 변동과 Xenon1T의 전자 반발 과잉을 설명하기.
• 은하단에서 관측된 3.5 keV X선 선을 암흑물질 붕괴 또는 충돌 과정과 조화시키기.
• 희귀은하계 역학에서 유추된 암흑물질의 자성 상호작용을 낮은 속도에서의 단위 질량당 단면적 비율로 설명하기.
• 차폐를 통과하는 데 필요한 암흑물질의 침투 깊이와 관측된 신호 빈도 사이의 갈등을 해결하기.
• 표준모델 이외의 새로운 물리학을 도입하지 않고도 지하 실험에서 절대 및 상대적 사건 빈도를 재현할 수 있는지 테스트하기.

제안 방법

• 압축된 원자물질(예: 다이아몬드)과 표면장력에 의해 유도된 도메인 벽을 가진 원자 크기의 진공 버블(펄스)로 암흑물질을 모델링하기.
• 에너지 준위가 3.5 keV X선 방출을 결정하는 원자 크기까지 확장된 주변 전자 구름을 포함하기.
• 은하단에서의 3.5 keV X선 선 강도를 잘 맞추기 위해 펄스 내부 전자의 페르미 운동량을 사용하기.
• 희귀은하계 관측 결과와 일치시키기 위해 저속 역학을 사용하여 자성 상호작용의 단위 질량당 단면적 비율(σ/M)을 계산하기.
• 지하 탐지기 도달 전에 에너지 손실과 종단 속도를 추정하기 위해 차폐(예: 1400m의 암석/대기) 내 정지 역학을 모델링하기.
• 고체 NaI와 액체 크세논에서의 정지 시간이 다름을 고려하여, DAMA-LIBRA(전자 탈양자화에 의한 시나피아)와 Xenon1T(전자 반발 과잉)의 사건 빈도를 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 구름이 있는 원자 크기의 진공 펄스가 은하단과 Milky Way에서 관측된 3.5 keV X선 선을 설명할 수 있는가?
• RQ2 동일한 암흑물질 모델이 DAMA-LIBRA의 계절적 변동과 Xenon1T의 전자 반발 과잉을 모두 생성할 수 있는가?
• RQ3 자기 상호작용 제약과 차폐 침투 시간을 동시에 만족시키기 위해 필요한 펄스의 크기와 표면장력은 무엇인가?
• RQ4 DAMA-LIBRA와 Xenon1T 간의 관측된 사건 빈도 비율이 약 250인 이유는 무엇이며, 이는 시나피아 재료에서의 정지 시간의 차이로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이 모델은 표준모델 이외의 새로운 물리학을 요구하지 않고도 두 실험의 절대 사건 빈도를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 3.5 keV X선 선 방출이 펄스 충돌 또는 우주선 상호작용 중 전자 탈양자화로 발생한다고 예측하며, 은하단과 Tycho 초신성 잔해에서의 관측 결과와 일치한다.
• 자기 상호작용에 대한 단위 질량당 단면적 비율(σ/M)은 희귀은하계 데이터에 적합하여, 펄스가 원자 크기(R ~ 10⁻¹¹ ~ 10⁻⁹ m)일 경우 관측 결과와 일치한다.
• 반지름 약 1 nm(R ~ 10⁻⁹ m)의 펄스와 표면장력 S¹ᐟ³ ≈ 14 MeV는 3.5 keV 선과 자기 상호작용 데이터와 일치하지만, 계절적 변동을 유지하기 위해 더 큰 크기가 필요할 수 있다.
• DAMA-LIBRA와 Xenon1T에서 kg당 절대 사건 빈도는 동일하게 예측되지만, 관측된 250배의 비율은 액체 크세논에서의 체류 시간이 고체 NaI보다 짧기 때문일 수 있으며, 점성과 정지 역학에 대한 추가 연구가 필요하다.
• 이 모델은 DAMA-LIBRA와 Xenon1T에서의 3.5 keV 신호가 모두 정지 과정 중 전자 탈양자화에서 기인하며, DAMA에서 핵 반발과 전자 반발을 구분하지 않는다고 설명한다.
• 이 모델은 표준모델과 일치한다. 새로운 진공상태와 도메인 벽은 QCD 또는 Nambu-Jona-Lasinio 대칭 붕괴를 통해 기인할 수 있으며, 새로운 물리학을 요구하지 않는다.