[논문 리뷰] Constraints on GeV Dark Matter interaction with baryons, from a novel Dewar experiment

Xingchen Xu, Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 15인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 액체 질소의 기화 속도를 측정하는 새로운 드워르 실험을 통해 기하학적 스케일의 어두운 물질(DM)이 바리온과 상호작용하는 데 대한 새로운 제약 조건을 유도한다. 양자역학적 상호작용을 요약한 양자역학적 상호작용을 통해 DM-핵자 산란을 모델링하고 비항등적인 효과를 엄밀히 다루며, 0.8–5.5 GeV의 DM 질량에서 $10^{-26}$에서 $10^{-26.3}\ \text{cm}^2$ 사이의 스핀-독립적 단면적을 배제한다. 이는 이전의 제약 조건에 비해 상당한 향상이다.

ABSTRACT

Dark matter which scatters off ordinary matter with a relatively large cross section cannot be constrained by deep underground WIMP experiments, due to the energy loss of DM along its path. However, for a sufficiently large cross section, DM particles in the GeV mass range can be captured and thermalized within Earth, resulting in the accumulation of a DM atmosphere whose number density can be as large as $10^{14} ext{ cm}^{-3}$ at Earth's surface. (If the DM-nucleon interaction is attractive and bound states can be formed, most DM bind to nuclei and the density is much lower.) Neufeld and Brach-Neufeld performed experiments to constrain the DM-baryon scattering cross section of DM atmosphere around Earth, by measuring the evaporation rate of liquid nitrogen in a storage dewar within which various materials are immersed. If the DM-nitrogen cross section is in an appropriate range, room temperature DM would penetrate the dewar walls and scatter on the cold nitrogen, increasing its evaporation rate beyond the observed level. Limits on the cross section of DM with other materials than nitrogen are obtained by adding known amounts of different materials; if the material is heated by interactions with DM, that heats and evaporates the liquid nitrogen. Because Born approximation is in general invalid in much of the relevant cross section regime, it is non-trivial to interpret such experimental results as a limit on the DM-nucleon cross section. In this paper we derive the constraints on DM-baryon scattering, with the interaction modeled as a Yukawa potential sourced by the finite sized nucleus. Combining the dewar constraints with BBN, we exclude for the first time a cross section above $10^{-26} ext{ cm}^{2}$ for DM mass 0.8-5.5 GeV, for any sign interaction. One DM model that is constrained is sexaquark $(uuddss)$ DM with mass $m_X \sim 2$ GeV; it remains viable.

연구 동기 및 목표

• 기존의 지하 WIMP 탐지기에서 대기 및 지각 에너지 손실로 인해 접근이 어려운 큰 산란 단면적을 가진 기하학적 스케일의 어두운 물질에 대한 강력한 제약 조건이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 다양한 물질이 존재하는 조건에서 애초에 이상한 기화를 보인 네프트 및 브라흐-네우펠 드워르 실험을, DM-바리온 산란 단면적에 대한 제약 조건으로 해석하기 위해.
• 이 분야의 단면적 영역에서 보른 근사가 실패하는 점을 극복하기 위해, DM-핵자 산란에 대한 엄밀한 비항등적 처리 방법을 개발하기 위해.
• 드워르 제약 조건과 빅뱅 핵합성(Big Bang nucleosynthesis, BBN) 제약 조건을 결합하여, 0.8–5.5 GeV 사이의 어두운 물질 질량에서 이전에 제약 없이 남아 있던 매개변수 공간 영역을 배제하기 위해.
• 특정 DM 모델, 예를 들어 $m_X \sim 2$ GeV인 세크스쿼크 DM 모델이 새로운 제약 조건 하에서도 타당한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 유한한 크기의 핵을 원천으로 하는 요쿠다 퍼텐셜을 사용하여 DM-핵자 산란을 모델링하고, 보른 근사가 실패하는 비항등적 효과를 고려한다.
• 항등적 처리에서 발생하는 원자 질량 수 $A$에 대한 잘못된 스케일링을 피하기 위해, 엄밀한 비항등적 형식을 적용하여 DM-핵 산란 단면적을 계산한다.
• 다양한 물질을 포함한 드워르에서 측정된 액체 질소 기화 속도를 바탕으로, 지구 대기 중에서 열적 평형을 이룬 DM이 산란할 때 발생하는 에너지 투입량을 유추한다.
• 관측된 기화 증가율을 비항등적 단면적을 통해 유도한 결과를 바탕으로, DM-핵자 스핀-독립적 단면적 $\sigma_p$에 대한 제약 조건으로 변환한다.
• 드워르 제약 조건과 빅뱅 핵합성(Big Bang nucleosynthesis, BBN)에서 유도된 천체물리적 제약 조건을 결합하여 배제 한계를 강화한다.
• 매개체 질량 $m_\phi \gtrsim 1$ GeV에서의 방법 검증을 수행하였으며, $m_\phi < 1$ GeV인 경우에도 근사적으로 타당하지만, 정밀도를 확보하기 위해 전체 재분석을 권장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보른 근사가 실패하는 관련 단면적 영역에서, 네프트 및 브라흐-네우펠 드워르 실험으로 기하학적 스케일의 어두운 물질이 바리온과 상호작용하는 데 대해 신뢰할 수 있는 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 0.8–5.5 GeV의 어두운 물질 질량과 최대 $10^{-26}\ \text{cm}^2$의 단면적을 가진 경우에 대해, 정확하게 상호작용 단면적을 모델링할 수 있는 올바른 비항등적 처리 방법은 무엇인가?
• RQ3 기존의 천체물리적 제약 조건(예: BBN 및 CMB)과 비교할 때, 이전에 제약 없이 남아 있던 기하학적 스케일의 어두운 물질 매개변수 공간에서 드워르 실험 제약 조건은 어떻게 작용하는가?
• RQ4 드워르 데이터와 BBN 제약 조건을 결합했을 때, DM-핵자 스핀-독립적 단면적의 배제 범위는 무엇이며, 이는 이전의 제약 조건에 비해 어떻게 향상되는가?
• RQ5 DM 질량이 $m_X \sim 2$ GeV인 세크스쿼크 DM 모델은 새로운 제약 조건과 천체물리적 제약 조건을 통합한 결과에도 여전히 타당한가?

주요 결과

• 0.8–5.5 GeV 사이의 어두운 물질 질량에서, 이 논문은 DM-핵자 스핀-독립적 단면적을 $10^{-26}$에서 $10^{-26.3}\ \text{cm}^2$ 사이로 배제한다. 이는 이전의 제약 조건에 비해 상당한 향상이다.
• 이 배제 범위는 보른 근사가 실패하는 영역에서의 비항등적 처리를 통해 유도되었으며, 이는 요쿠다 상호작용의 비항등적 처리로 인해 보정된 결과이다.
• 드워르 실험은 1–3 GeV 사이의 어두운 물질 질량에서 현재까지 가장 강력한 제약 조건을 제공하며, $\sigma_p > 10^{-26.3}\ \text{cm}^2$를 배제한다.
• 추가적으로, 1.3–4 GeV 사이의 어두운 물질 질량에서 $\sigma_p \sim 10^{-30}\ \text{cm}^2$ 근처에 또 다른 제거 영역이 발견되었으며, 이는 매개변수 공간을 추가로 압축한다.
• 질량이 $m_X \sim 2$ GeV인 세크스쿼크 DM 모델은 여전히 타당하다. 일반적인 배제 한계가 그 예상 단면적 범위의 상단에 위치해 있고, 커플링의 부호가 알려져 있지 않기 때문에 조건부 제약 조건은 영향을 주지 않는다.
• 드워르 제약 조건과 BBN 제약 조건을 결합함으로써, 이전에 제약 없이 남아 있던 어두운 물질 매개변수 공간의 영역이 배제되었으며, 특히 흡인 상호작용과 $m_\phi \gtrsim 1$ GeV인 경우에 특히 두드러진다.