[논문 리뷰] Gauged lepton number and cosmic-ray boosted dark matter for the XENON1T excess

Yongsoo Jho, Jong-Chul Park외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 24.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 XENON1T 과잉 현상에 대한 두 가지 시나리오를 제안한다: (1) $U(1)_{L_e-L_i}$ 게이지 보손이 태양 중성자율-전자 산란을 강화하여 전자 반동을 증가시킨다; (2) 우주선 전자들이 동일한 게이지 상호작용을 통해 어둠성 물질을 keV 스케일의 에너지로 부스팅하여 검출 가능한 전자 반동을 생성한다. 이 모델은 향후 적외선 망원경을 통해 검증 가능한 1500 K 이상의 온도 상승을 유도하는 중성자별의 어둠성 물질 가열을 예측한다.

ABSTRACT

The recently reported excess in XENON1T is explained by two scenarios with and without a dark matter interaction with the gauged lepton number, $U(1)_{L_e-L_i}$, $i=\mu$ or $ au$. In Scenario#1, the gauge boson provides non-standard interaction between solar neutrino and electron that enhances the number of electron recoil events in the XENON1T detector. In Scenario#2 with the gauge coupling to dark matter, dark matter can be boosted by cosmic electrons and generate electron recoil energy up to $\mathcal{O}({ m keV})$ to explain the XENON1T result. The dark matter, aided by the new gauge interaction, could heat up a neutron star more than 1500 K as a neutron star captures the halo dark matter. Therefore, we propose to utilize the future infrared telescope to test our scenario.

연구 동기 및 목표

• 비정상적인 XENON1T 저에너지 전자 반동 과잉 현상을 설명하기 위해.
• 게이지된 렙톤 수의 대칭성인 $U(1)_{L_e-L_i}$가 과잉 현상을 설명할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 직접 탐측에서 관측 가능한 신호를 유도할 수 있는 $U(1)_{L_e-L_i}$ 게이지 보손을 통한 어둠성 물질 상호작용을 조사하기 위해.
• 특히 중성자별의 가열 효과를 포함한 이러한 어둠성 물질의 천체물리적 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 전자 및 어둠성 물질와 결합하는 새로운 게이지 보손을 갖는 $U(1)_{L_e-L_i}$ 게이지 대칭성을 도입하기 위해.
• 게이지 보손을 통한 태양 중성자율과 전자의 비표준 상호작용을 모델링하여 전자 반동 확률를 증가시키기 위해.
• 어둠성 물질가 게이지 보손과 결합하여 우주선 전자들이 어둠성 물질를 keV 스케일의 운동 에너지로 부스팅할 수 있도록 하기 위해.
• XENON1T에서의 전자 반동 스펙트럼을 계산하여 관측된 과잉 현상과 일치시키기 위해.
• 게이지 상호작용으로 인한 에너지 침착으로 인해 어둠성 물질가 중성자별을 캡처함에 따라 발생하는 중성자별의 가열을 추정하기 위해.
• 향후 적외선 관측을 통해 시나리오를 검증할 수 있도록 제안하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XENON1T 과잉 현상은 $U(1)_{L_e-L_i}$ 게이지 보손을 통해 태양 중성자율-전자 산란이 강화되어 설명될 수 있는가?
• RQ2 동일한 게이지 상호작용을 통해 우주선 전자들이 어둠성 물질를 keV 스케일의 에너지로 부스팅하여 검출 가능한 전자 반동을 생성할 수 있는가?
• RQ3 게이지 상호작용을 통해 어둠성 물질 캡처와 에너지 침착으로 인해 중성자별의 예측된 온도 상승은 얼마인가?
• RQ4 $U(1)_{L_e-L_i}$ 게이지 보손은 이 시나리오에서 어둠성 물질와 표준모형 입자 간의 상호작용을 어떻게 매개하는가?
• RQ5 향후 적외선 망원경이 예측된 중성자별 가열을 감지할 수 있으며, 이는 모델에 대한 간접적 증거가 될 수 있는가?

주요 결과

• XENON1T 과잉 현상은 $U(1)_{L_e-L_i}$ 게이지 보손이 태양 중성자율-전자 산란을 강화하여 추가적인 전자 반동을 유도함으로써 설명될 수 있다.
• 다른 설명 가능성으로는 우주선 전자가 게이지 상호작용을 통해 어둠성 물질를 keV 스케일의 에너지로 부스팅하여 관측된 반동 스펙트럼을 생성하는 것이다.
• 이 모델은 게이지 상호작용으로 인한 에너지 침착으로 인해 중성자별의 어둠성 물질 캡처로 인해 1500 K 이상의 온도 상승을 예측한다.
• 이 가열 효과는 향후 적외선 망원경을 통한 검증이 가능한 특별한 천체물리적 서명을 제공한다.
• $U(1)_{L_e-L_i}$ 게이지 대칭성은 XENON1T 과잉 현상, 어둠성 물질 상호작용, 중성자별 물리학을 통합하는 일관된 프레임워크를 제공한다.