[논문 리뷰] XENON1T anomaly from anomaly-free ALP dark matter

Fuminobu Takahashi, Masaki Yamada외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 17.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 전자 반동 과잉 현상이 몇 keV의 질량을 가지며 전자와의 결합 상수가 $g_{ae} \sim 10^{-13}$인 이상 없는 축상입자(AXION-LIKE PARTICLE, ALP) 어두운 물질에서 기인한다고 제안한다. 이 ALP는 광자와의 결합을 억제함으로써 U(1) 이상성 문제를 피하며, 동시에 별의 냉각 이상 현상도 설명하고, 검출 가능한 X선 선 신호를 예측한다. 만약 ALP가 어두운 물질의 약 10%를 차지한다면, ATHENA의 감도로 그 타당성이 확인될 수 있다.

ABSTRACT

Recently, an anomalous excess was found in the electronic recoil data collected at the XENON1T experiment. The excess may be explained by an axion-like particle (ALP) with mass of a few keV and a coupling to electron of $g_{ae} \sim 10^{-13}$, if the ALP constitutes all or some fraction of local dark matter (DM). In order to satisfy the X-ray constraint, the ALP coupling to photons must be significantly suppressed compared to that to electrons. This strongly suggests that the ALP has no anomalous couplings to photons, i.e., there is no U(1)$_{ m PQ}$-U(1)$_{ m em}$-U(1)$_{ m em}$ anomaly. We show that such anomaly-free ALP DM predicts an X-ray line signal with a definite strength through the operator arising from threshold corrections, and compare it with the projected sensitivity of the ATHENA X-ray observatory. The abundance of ALP DM can be explained by the misalignment mechanism, or by thermal production if it constitutes a part of DM. In particular, we find that the anomalous excess reported by the XENON1T experiment as well as the stellar cooling anomalies from white dwarfs and red giants can be explained simultaneously better when the ALP constitutes about 10\% of DM. As concrete models, we revisit the leptophilic anomaly-free ALP DM considered in [Phys.Lett.B 734 (2014) 178-182] as well as an ALP model based on a two Higgs doublet model in the supplemental material.

연구 동기 및 목표

• XENON1T 전자 반동 과잉 현상을 keV 규모의 축상입자(AXION-LIKE PARTICLE, ALP) 어두운 물질 후보로 설명하기 위해.
• ALP의 광자와의 결합을 전자와 비교해 억제함으로써 ALP 모델이 이상 없음을 보장하기 위해.
• XENON1T 과잉 현상과 백색왜성 및 적색거성에서 관측된 별의 냉각 이상 현상 간의 일치를 이루기 위해.
• ALP 붕괴에서 기인하는 검출 가능한 X선 선 신호를 예측하고, ATHENA 천체망원경으로 검증 가능하도록 하기 위해.
• 관측된 ALP 어두운 물질 밀도를 자연스럽게 생성할 수 있는 메커니즘—일치 조절 또는 열생산—를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 전자에 강하게 결합하지만 광자에 약하게 결합하는 륙성적(ALPHILOPHILIC) ALP를 포함하는 U(1) 게이지 대칭 모델을 구축하여 이상 자유성을 확보한다.
• 임계 보정을 통해 차수 5 연산자를 생성함으로써 ALP가 두 광자로 붕괴하는 경로를 유도하고, 검출 가능한 X선 선을 생성한다.
• X선 선 세기 예측을 수행하고, ATHENA X선 천체망원경의 예상 감도와 비교한다.
• 필요한 ALP 어두운 물질 밀도를 생성하기 위해 일치 조절 메커니즘 또는 열생산을 구현한다.
• X선 관측과 별의 에너지 손실 제약 조건을 분석하여 ALP의 결합 강도를 고정한다.
• 보조 자료에서 두 가지 구체적 모델—육성적(ALPHILOPHILIC) ALP 모델과 두 개의 힉스 두중항 모델 변형—을 재검토하고 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상 없는 ALP 어두운 물질 모델이 U(1) 이상성을 위반하지 않으면서 XENON1T 전자 반동 과잉 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 ALP 붕괴에서 기대되는 X선 선 신호는 무엇이며, ATHENA 천체망원경으로 검출 가능한가?
• RQ3 ALP가 전자와 광자와의 결합 강도가 각각 어떻게 제약을 받는가? 이는 XENON1T 과잉 현상과 별의 냉각 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ4 XENON1T 과잉 현상과 별의 냉각 데이터를 동시에 설명하기 위해 ALP는 어두운 물질의 몇 퍼센트를 차지해야 하는가?
• RQ5 관측된 ALP 밀도는 매개변수에 따라 일치 조절 또는 열생산 메커니즘을 통해 자연스럽게 생성될 수 있는가?

주요 결과

• XENON1T 과잉 현상은 $g_{ae} \sim 10^{-13}$의 전자와 강하게 결합하고 광자와는 약하게 결합하여 이상을 피하는 keV 규모의 ALP로 설명된다.
• ALP 모델은 임계 보정을 통해 두 광자로 붕괴하는 경로를 통해 검출 가능한 X선 선 신호를 예측한다.
• 예측된 X선 선 세기는 ATHENA X선 천체망원경의 감도 범위 내에 있어 향후 검증이 가능하다.
• 이 모델은 ALP 방출을 통해 에너지 손실을 증가시킴으로써 백색왜성과 적색거성에서 관측된 별의 냉각 이상 현상을 동시에 설명한다.
• XENON1T 과잉 현상과 별의 냉각 데이터를 동시에 가장 잘 맞추기 위해 ALP 어두운 물질는 총 어두운 물질 밀도의 약 10%를 차지한다.
• ALP 밀도는 모델의 매개변수에 따라 일치 조절 또는 열생산 메커니즘을 통해 자연스럽게 생성될 수 있다.