[논문 리뷰] Dark Matter Macroscopic Pearls, 3.55 keV X-ray line, How big ?

H. B. Nielsen, C.D. Froggatt|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 어두운 물질이 원자 크기의 '진주'로 구성되어 있다고 제안한다. 이들은 약 10⁴ GeV (10⁻²³ kg)의 질량과 약 1.5×10⁻¹² m의 반경을 가지며, 내부 전자 시스템에 3.55 keV의 동일 최대-최소 갭을 형성한다. X선 방출은 진주 간 충돌 시 전자-정공 응집자가 붕괴함으로써 발생하며, 은하수와 은하단에서 관측된 3.55 keV 선을 성공적으로 설명한다. 또한 강한 비-WIMP 상호작용을 통해 DAMA-LIBRA와 Xenon1T의 전자 반동 초과 현상도 설명한다.

ABSTRACT

We study the 3.55 keV X-ray suspected to arise from dark matter in our model of dark matter consisting of a bubble of a new phase of the vacuum, the surface tension of which keeps ordinary matter under high pressure inside the bubble. We consider two versions of the model: Old large pearls model : We worked for a long time on a pearl picture with pearl / bubbles of cm-size adjusted so that the impacts of them on earth could be identified with events of the mysterious type that happened in Tunguska in 1908. We fit both the very frequency, the 3.55 keV, and the overall intensity of the X-ray line coming from the center of the Milky Way and from galaxy clusters with one parameter in the model in which this radiation comes from collisions of pearls. New small pearl model: Our latest idea is to let the pearls be smaller than atoms but bigger than nuclei so as to manage to fit the 3.5 keV X-rays coming from the Tycho supernova remnant in which Jeltema and Profumo observed this line. Further we also crudely fit the DAMA-LIBRA observation with the small pearls, and even see a possibility for including the electron-recoil-excess seen by the Xenon1T experiment as being due to de-excitation via electron emission of our pearls. The important point of even our small size pearl model is that the cross section of our "macroscopic" pearls is so large that the pearls interact several times in the shielding but, due to their much larger mass than the typical nuclei, are {\bf not stopped by only a few interactions}. Nevertheless only a minute fraction of the relatively strongly interacting pearls reach the 1400 m down to the DAMA experiment, but due to the higher cross section we can fit the data anyway.

연구 동기 및 목표

• 은하수와 은하단에서 관측된 3.55 keV X선 선이 흑색 중성자로 인한 것이 아니라 어둠운 물질에서 기인한다는 것을 설명하는 것.
• 동일한 어둠운 물질 모델을 통해 관측된 X선 선, DAMA-LIBRA 연간 조절 신호, 그리고 Xenon1T 전자 반동 초과 현상을 일관되게 설명하는 것.
• 원자보다 작고 핵보다 큰 어둠운 물질 진주를 포함하는 매크로스코픽 어둠운 물질 모델을 개발하는 것. 이 진주는 강한 상호작용을 가지지만 희박한 충돌을 통해 감지 가능하다.
• 3.55 keV 선 에너지가 우연이 아니라, 동일 최대-최소 갭이 광자 에너지와 일치하는 물리적 공진으로 인해 발생한다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 어둠운 물질을 일반 물질을 고압 상태로 둘러싸는 진공 상자 경계(도메인 벽)를 가진 매크로스코픽이고 밀도 높은 진주로 모델링한다.
• 압축된 물질 내부 전자 시스템이 약 3.55 keV의 동일 최대-최소 갭을 형성하여 결합 응집자가 생기며, 이들이 붕괴하면서 3.55 keV 광자를 방출할 수 있도록 한다.
• 두 진주 간 충돌에 의한 X선 방출률을 계산하며, 주로 응집자 형성과 붕괴가 주요 생산 메커니즘으로 가정한다.
• 도메인 벽의 장력 S^{1/3}을 유일한 매개변수로 사용하여 관측된 X선 선의 강도와 에너지를 적합시키며, S^{1/3} ≈ 2 MeV일 때 진주의 질량이 약 10⁴ GeV이 된다.
• DAMA-LIBRA 및 타이코 초신성 잔해 관측 데이터를 일치시키기 위해 단면적과 질량의 비율(σ/M)을 사용하며, 진주는 강하게 상호작용하지만 다수의 충돌로도 정지당하지 않는다고 가정한다.
• 진주의 반경 R ≈ 1.5×10⁻¹² m을 도출하며, 전자 구름이 피복층 외부로 나타나기 시작할 조건을 만족시켜 3.55 keV 선의 날카운 성질을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수와 은하단에서 관측된 3.55 keV X선 선은 내부 응집자가 있는 매크로스코픽 어둠운 물질 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ2 DAMA-LIBRA 연간 조절 신호는 3.55 keV X선을 방출하는 동일한 어둠운 물질 진주와 일치하는가?
• RQ3 Xenon1T 전자 반동 초과 현상은 이러한 진주의 탈구성 과정을 통해 전자 방출로 설명될 수 있는가?
• RQ4 왜 3.55 keV 선이 매우 날카로운가? 이는 모델 내에서 물리적 공진 때문인가?
• RQ5 X선, DAMA, Xenon1T 데이터를 동시에 적합시키기 위해 필요한 물리적 매개변수(장력, 질량, 크기)는 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 도메인 벽의 장력 S^{1/3} ≈ 2 MeV라는 유일한 매개변수를 사용하여 은하수와 은하단에서의 3.55 keV X선 선 강도와 에너지를 성공적으로 적합시켰다.
• 진주의 질량은 M ≈ 10⁴ GeV (10⁻²³ kg)로 제약되며, 반경은 R ≈ 1.5×10⁻¹² m로 원자보다 작고 핵보다는 크다는 점에서 일관된다.
• 내부 전자 시스템의 동일 최대-최소 갭은 자연스럽게 3.55 keV로 조정되어 있으며, 이는 물리적 공진으로 인해 X선 선의 날카운 성질을 설명한다.
• 작은 진주의 단면적과 질량의 비율(σ/M)은 DAMA-LIBRA 데이터와 타이코 초신성 잔해 관측 결과를 모두 일치시키며, 강한 상호작용이지만 완전히 투명하지 않은 상호작용임을 시사한다.
• 모델은 Xenon1T 전자 반동 초과 현상을 진주의 전자 방출을 통한 탈구성으로 설명하며, 높은 질량과 강한 상호작용 단면적과 일관된다.
• S^{1/3} ≈ 2 MeV의 낮은 값은 힉스 스케일보다 훨씬 낮으며, QCD 스케일 이하 또는 저 비율의 쿼크 물질에서의 색-색-잠금 상태와 관련된 새로운 물리학을 암시한다.