[논문 리뷰] Cosmic-ray dark matter confronted by constraints on new light mediators

Nicole F. Bell, Jayden L. Newstead외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 20.

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy참고 문헌 72인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 뉴클론과 결합하는 경량 매개입자들을 통해 하위-GeV 어둠자기물질을 탐지하기 위한 우주선 어둠자기물질(CRDM) 상향스캐터링을 조사한다. Borexino, XENON1T, LZ, Super-K의 제약 조건을 사용하여, 기존의 매개입자에 대한 제약, 특히 메손 붕괴와 항성 냉각에서 유래한 제약들이 CRDM 신호가 탐지 가능할 수 있는 매개변수 공간을 이미 배제하고 있음을 발견하였으며, 이는 CRDM 제약이 모델에 따라 달라지며 어둠자기물질 탐지에 거의 효과가 없다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

The detectability of light dark matter in direct detection experiments is limited by the small kinetic energy of the recoiling targets. Thus, scenarios where dark matter is boosted to relativistic velocities provide a useful tactic to constrain sub-GeV dark matter particles. Of the possible dark matter boosting mechanisms, cosmic-ray upscattering is an appealing paradigm as it doesn't require any additional assumptions beyond dark matter coupling to nucleons or electrons. However, detectable signals are obtained only with relatively large cross sections which, in turn, can only be realized with large couplings, light mediators or composite dark matter. In this work we consider a general set of light mediators that couple dark matter to hadrons. Using data from Borexino, XENON1T, LZ and Super-K, we show that existing constraints on such mediators preclude appreciable cosmic-ray dark matter upscattering. This finding highlights the limited applicability of cosmic-ray upscattering constraints and suggests they only be used in model-dependent studies.

연구 동기 및 목표

• 직접 탐측 실험에서 하위-GeV 어둠자기물질을 위한 우주선 어둠자기물질(CRDM) 상향스캐터링의 타당성을 평가하기.
• CRDM 신호가 어둠자기물질-뉴클론 상호작용을 매개하는 경량 매개입자에 대한 기존 제약을 피할 수 있는지 평가하기.
• 현재 및 향후 직접 탐측 및 중성자소 실험들이 매개입자 제약 조건으로 이미 배제되지 않은 매개변수 공간을 탐지할 수 있는지 결정하기.
• 메손 붕괴, 항성 냉각, SN1987A와 같은 제약 조건이 CRDM 탐지 가능성에 미치는 영향을 정량화하기.
• CRDM 제약의 모델 의존성과 경량 어둠자기물질을 위한 일반적인 탐지 수단으로서 CRDM의 한계를 부각하기.

제안 방법

• 스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터, 페시도스칼라 매개입자가 어둠자기물질과 뉴클론에 결합하는 일반적인 단순화 모델 클래스를 수립한다.
• 우주선 뉴클론 상향스캐터링의 운동량 의존성 단면적을 고려하여 운동역학을 반영한 CRDM 유량을 계산한다.
• 메손 붕괴(예: $K \to \pi \pi$), 항성 냉각(HB 및 RG 항성), SN1987A 중성자 방출에서 유래한 매개입자 결합 상수에 대한 제약 조건을 적용한다.
• XENON1T, LZ, Borexino, Super-K의 데이터를 사용하여 직접 탐측 감도를 평가하며, 핵 릴랙션 임계값과 노출 스케일링에 중점을 둔다.
• 매개입자 질량과 결합 상수의 매개변수 공간 전반에서 CRDM 탐지 한계를 기존의 매개입자 제약 조건과 비교한다.
• 지구의 덮개층에서의 탄성 산란에 의한 감쇠 효과를 고려하지만, 주로 전파보다는 매개입자 물리학에 기인한 주요 제약 조건에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하위-GeV 어둠자기물질에 대해 우주선 상향스캐터링이 직접 탐측 실험에서 상대론적 어둠자기물질 유량을 탐지 가능한가?
• RQ2 어둠자기물질-뉴클론 상호작용을 매개하는 경량 매개입자에 대한 기존 제약 조건이 CRDM 탐지 신호에 얼마나 강하게 제약을 가하는가?
• RQ3 특히 경량 매개입자에 대해, 기존의 매개입자 제약 조건에도 불구하고 CRDM 탐지가 가능한 매개변수 공간의 영역이 존재하는가?
• RQ4 메손 붕괴, 항성 냉각, SN1987A에서 유래한 제약 조건이 직접 탐측 실험과 비교해 얼마나 효과적으로 CRDM 신호를 배제하는가?
• RQ5 CRDM에 대해 아직 제약되지 않은 매개변수 공간을 탐지하기 위해, JUNO, DUNE, Hyper-K와 같은 향후 검출기의 감도 향상이 얼마나 필요한가?

주요 결과

• 스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터, 페시도스칼라 매개입자 유형 전반에 대해, 기존의 매개입자 제약 조건이 현재 실험에서 CRDM 신호가 탐지 가능한 매개변수 공간을 이미 배제하고 있다.
• 매개입자 결합 상수에 대한 가장 강력한 제약 조건은 메손 붕괴(예: $K \to \pi \pi$)와 항성 냉각에서 유래하며, 특히 스칼라 및 페시도스칼라 매개입자에 대해 그렇다.
• 벡터 및 아르키메데스-벡터 매개입자에 대한 제약 조건은 각각 메손 붕괴 및 SN1987A 제약 조건에 의해 주로 결정되며, 아르키메데스 결합은 더욱 강력한 천체물리학적 제약 조건을 받을 가능성이 높다.
• SI 모델에서는 LZ의 헤파르트 타겟과 낮은 임계값, 핵 단면적 증폭 효과 덕분에 전체 매개변수 공간에서 가장 강력한 CRDM 한계를 제공한다.
• SD 모델에서는 Borexino가 전자 릴랙션에 민감하고 낮은 에너지 임계값을 지닌 덕분에 가장 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 향후 JUNO, DUNE, Hyper-K와 같은 검출기는 노출량의 4제곱근 비례로만 CRDM 한계를 향상시킬 수 있을 뿐이며, 이미 매개입자 제약 조건에 의해 제외된 영역은 탐지할 수 없다.