[논문 리뷰] Atomic Size Dark Matter Pearls, Electron Signal

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 21.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 암흑물질이 압축된 원자물질을 담고 있는 진공 기포('진주')로 이루어져 있으며, 이 진주는 전자 구 nucl을 둘러싸고 있는 구조를 가진 암흑물질 모델을 제안한다. 이 진주는 3.5 keV X선 선을 설명하며, DAMA-LIBRA의 계절적 변동성과 Xenon1T에서의 전자 반동 과잉 현상까지도 표준모형 내에서 새로운 물리학 없이 정확히 3.5 keV에서 전자 여기 및 방출을 통해 설명한다.

ABSTRACT

We explain both the observation of dark matter by the seasonal variation of the DAMA-LIBRA data and the observation of ``electron recoil'' events at Xenon1T by the SAME dark matter model. This DM is bubbles of a new type of vacuum containing ordinary atomic matter under high pressure ensured by the surface tension of the domain wall. Surrounding it a cloud of electrons almost of atomic size. Also we explain the self interactions of dark matter suggested by astronomical studies of dwarf galaxies etc. Interaction in the shielding slows the dark matter down to a low terminal velocity. Nuclei in the underground detectors are thus not detected. Further we explain the ``mysterious'' X-ray line of 3.5 keV from our dark matter particles colliding with each other so that the surfaces/skins unite. Even the 3.5 keV X-ray radiation from the Tycho supernova remnant is explained as our pearls hitting cosmic rays in the remnant. DAMA-LIBRA and Xenon1T experiments see supposedly our dark matter pearls excited during their stopping in the shielding or the air. The most remarkable support for our type of model is that both these underground experiments see events with about 3.5 keV energy, just the energy of the X-ray line. We get a good numerical understanding of the fitted cross section over mass ratio of self interacting dark matter observed in the study of dwarf galaxies. Also the total energy of the dark matter pearls stopped in the shield is reasonably matching order of magnitudewise with the absolute observation rates of DAMA-LIBRA and Xenon1T, although the their ratio requires further development. Accepting that the different phases of the vacuum could be realized inside the Standard Model, our whole scheme also could. No new physics is needed for dark matter!

연구 동기 및 목표

• 은하단과 Milky Way에서 관측된 3.5 keV X선 선을 암흑물질 진주 간의 충돌을 통해 설명한다.
• 단일 암흑물질 모델을 사용하여 DAMA-LIBRA의 계절적 변동성과 Xenon1T의 전자 반동 과잉 현상을 조화롭게 설명한다.
• 왜소은하 및 은하단에서 관측된 암흑물질의 자가상호작용을 설명한다.
• 암흑물질이 차폐 물질에서 멈추고, 전자 방출을 통해 시나피어터를 여기시킬 수 있는 메커니즘을 제공한다.
• 이 모델이 새로운 물리학 없이도 표준모형 내에서 작동할 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 반지름 약 5×10⁻¹² m의 나노스케일 진공 기포(진주)로 암흑물질을 모델링하며, 표면장력에 의해 압축된 원자물질(예: 탄소)이 내부에 포함되어 있다.
• 전자 구 nucl이 약 5×10⁻¹¹ m까지 확장되며, 전자 스펙트럼의 호모루모 갭이 3.5 keV 여기를 가능하게 한다.
• 진주의 크기와 무관하게 전자 피에르 모멘텀을 이용해 3.5 keV 여기 에너지를 결정한다.
• Atmospheric 및 underground 차폐에서 진주의 정지 확률을 추정하여 속도를 근처 열수준으로 감소시킨다.
• Tycho 초신성 잔해와 같은 영역에서의 宇宙선과의 상호작용을 모델링하여 3.5 keV X선 방출을 설명한다.
• 관측된 자가상호작용 암흑물질의 단면적 대 질량 비율과 모델 예측값을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 크기의 암흑물질 진주가 은하단과 Milky Way에서 관측된 3.5 keV X선 선을 설명할 수 있는가?
• RQ2 동일한 암흑물질 모델이 DAMA-LIBRA의 계절적 변동성과 Xenon1T의 전자 반동 과잉 현상을 모두 설명할 수 있는가?
• RQ3 3.5 keV에서의 전자 여기 및 방출은 지하 신호와 천문학적 X선 선을 연결하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이 모델에서 유도된 암흑물질의 자가상호작용 단면적 비율이 왜소은하 및 은하단 관측치와 일치하는가?
• RQ5 검출기 재료의 차이를 고려할 때, DAMA-LIBRA와 Xenon1T에서 관측된 비율을 동일한 프레임워크 내에서 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 모델에서 3.5 keV 여기 에너지는 진주의 전자 스펙트럼의 호모루모 갭에서 기인하며, 진주의 크기와 무관하게 전자 피에르 모멘텀에 의해 결정된다.
• 이 모델은 자가상호작용 암흑물질의 단면적 대 질량 비율을 예측하며, 이는 왜소은하에서의 관측치와 양호한 정량적 일치를 보인다.
• 정지한 진주가 차폐에서 흡수하는 총 에너지는 DAMA-LIBRA 및 Xenon1T에서 관측된 사건 빈도의 주요 순서와 일치하지만, 빈도 비율 조정에는 추가 연구가 필요하다.
• Tycho 초신성 잔해에서의 3.5 keV X선 방출은 진주가 잔해 내 우주선과 충돌함으로써 발생한다.
• 이 모델은 Xenon1T에서 전자 반동 사건은 관측되지만 핵반동 사건은 관측되지 않는 이유를 설명한다: 액체 크세논에서는 전자 방출이 억제되지 않으며, 고체 NaI 검출기와는 다르다.
• 표면장력 S¹ᐟ³ ≈ 2.2 MeV일 경우, 우주적으로 연장된 도메인 벽이 형성되어 우주망의 거대한 빈 공간을 형성할 수 있으며, 이는 우주의 진화에 영향을 주지 않는다.