[论文解读] Atomic Size Pearls being Dark Matter giving Electron Signal

C. D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出暗物质由原子尺寸的真空泡（"珍珠"）构成，这些真空泡内含压缩的原子物质，并带有外围电子云，可同时解释3.5 keV X射线谱线以及DAMA-LIBRA和Xenon1T中的电子样信号。该模型与矮星系中的自相互作用数据相符，并预测：在探测器中停止过程中电子的去激发产生观测到的信号，关键预测为DAMA与Xenon1T中单位质量的事件率相等，尽管观测到的250倍差异可能源于闪烁体材料中不同的停止时间。

ABSTRACT

We seek to explain both the seeming observation of dark matter by the seasonal variation of the DAMA-LIBRA data and the observation of "electron recoil" events at Xenon1T in which the liquid Xe scintillator was excited by electrons - in excess to the expected background - by the same dark matter model. In our model the dark matter consists of bubbles of a new type of vacuum containing ordinary atomic matter, say diamond, under high pressure ensured by the surface tension of the separation domain wall. We also seek to explain the self interactions of dark matter suggested by astronomical studies of dwarf galaxies and the central structure of galaxy clusters. The interaction with matter in the shielding is responsible for slowing the dark matter down to a low terminal velocity, so underground detectors have insufficient energy for detection. Further we explain the "mysterious" X-ray line of 3.5 keV, even the 3.5 keV X-ray radiation from the Tycho supernova remnant. The DAMA-LIBRA and Xenon1T experiments see decaying dark matter pearls. Both these underground experiments see events with about 3.5 keV energy, just the energy of the X-ray line. We fit numerically the cross section over mass ratio for the self interaction of the dark matter as observed in the study of dwarf galaxies and find the size of the pearls to be rather close to the smallest possible in our model. However DAMA cause some problem to get heavier pearls. Also the total energy of the dark matter pearls stopped in the shield is reasonably matching. Accepting the different phases of the vacuum the model could be realized inside the Standard Model, our whole scheme could be realized inside the Standard Model.

研究动机与目标

• 使用单一暗物质模型解释DAMA-LIBRA中的季节调制现象以及Xenon1T中的电子反冲过剩。
• 将观测到的星系团中3.5 keV X射线谱线与暗物质衰变或碰撞过程相协调。
• 利用低速截面与质量之比，解释从矮星系动力学推断出的暗物质自相互作用。
• 解决暗物质穿透屏蔽层所需穿透深度与观测到的信号率之间的张力。
• 检验该模型是否能在不引入标准模型之外新物理的前提下，重现地下实验中的绝对与相对事件率。

提出的方法

• 将暗物质建模为原子尺寸的真空泡（珍珠），内部含有压缩的原子物质（如金刚石），并具有由表面张力引起的域壁。
• 引入延伸至原子尺度的外围电子云，其能级结构决定了去激发时的3.5 keV X射线发射。
• 利用珍珠内部电子的费米动量拟合星系团中3.5 keV X射线谱线的强度。
• 通过低速动力学计算自相互作用的截面与质量之比（σ/M），并与矮星系观测结果匹配。
• 建模在屏蔽层（如1400米岩石/空气）中的停止动力学，估算珍珠在抵达地下探测器前的能量损失与终端速度。
• 比较DAMA-LIBRA（由电子去激发引起的闪烁）与Xenon1T（电子反冲过剩）中的事件率，考虑NaI与液态氙中不同的停止时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子尺寸的真空珍珠带电子云能否解释星系团和银河系中观测到的3.5 keV X射线谱线？
• RQ2 同一暗物质模型如何同时产生DAMA-LIBRA中的季节调制与Xenon1T中的电子反冲过剩？
• RQ3 珍珠的尺寸与表面张力需满足何种条件，才能同时符合矮星系中的自相互作用约束与屏蔽穿透时间？
• RQ4 为何DAMA-LIBRA与Xenon1T中观测到的事件率比值约为250？这一差异是否可由闪烁体材料中不同的停止时间解释？
• RQ5 该模型是否能在不引入标准模型之外新物理的前提下，重现两个实验中的绝对事件率？

主要发现

• 该模型预测3.5 keV X射线谱线源于珍珠碰撞或宇宙射线相互作用过程中的电子去激发，与星系团及仙后座超新星遗迹的观测结果一致。
• 自相互作用的截面与质量之比（σ/M）通过矮星系数据拟合，当珍珠尺寸为原子量级（R ~ 10⁻¹¹ 至 10⁻⁹ m）时，其值与观测结果一致。
• 半径约为1 nm（R ~ 10⁻⁹ m）且表面张力满足 S¹ᐟ³ ≈ 14 MeV 的珍珠，与3.5 keV谱线及自相互作用数据一致；但为避免季节调制被抹去，可能需要更大的尺寸。
• DAMA-LIBRA与Xenon1T中单位质量的绝对事件率预测相等，但观测到的250倍差异可能源于液态氙中停留时间较短，相较于固态NaI，需进一步研究粘度与停止动力学。
• 该模型将DAMA-LIBRA与Xenon1T中的3.5 keV信号均解释为珍珠在停止过程中电子去激发所致，DAMA中不区分核反冲与电子反冲。
• 该模型与标准模型一致，因新真空相与域壁可从QCD或具Nambu-Jona-Lasinio对称性自发破缺的QCD中自然产生，无需引入新物理。