[論文レビュー] Can dark matter - electron scattering explain the DAMA annual modulation consistent with XENON100 constraints?

R. Foot|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、DAMAで観測された年間周期的変動と、最近XENON100で検出された2.8σの周期的変動を説明できるかどうかを検討する。特に、MeVスケールのダークマター粒子を有する多成分ダークマター模型、特にミラー・ダークマターを想定し、大きな変動率分率（50%以上）を持つ電子散乱モデルの可能性を調査する。また、このようなモデルの重要なテストとして、日の出・日の入りに伴う変動（diurnal variation）の重要性を強調する。

ABSTRACT

For many years annually modulating $\sim$ keV scintillations have been observed in the DAMA/NaI and DAMA/Libra experiments. A dark matter - electron scattering interpretation is now favoured given the stringent constraints on nuclear recoil rates obtained by LUX, SuperCDMS and other experiments. Very recently, the XENON100 experiment has observed a modest annual modulation in their electron recoil events (2.8 $σ$ C.L.) with phase consistent with that of the DAMA experiments. However, they also found a stringent upper limit on the unmodulated rate, which suggests that any dark matter - electron scattering interpretation of these annual modulations must involve a large modulation fraction $\stackrel{>}{\sim} 50\%$. Here we discuss the extent to which these results might be able to be accommodated within multi-component dark matter models featuring light dark matter particles of mass $\sim$ MeV, focusing on the mirror dark matter case for definiteness. The importance of diurnal variation as a means of testing these kinds of models is also discussed.

研究の動機と目的

• DAMAで観測された年間変動と、XENON100実験の最近の2.8σの電子反跳変動を、ダークマター-電子散乱解釈によって統合できるかどうかを評価すること。
• XENON100が提示する未変動率の厳密な上限が、いかなる有効なダークマター-電子散乱解釈に対しても、変動率分率が50%以上である必要があることを示唆する制約を検討すること。
• MeVスケールの軽いダークマター粒子を有する多成分ダークマター模型が、観測された変動をどの程度説明できるかを評価すること。
• 日周変動が、ダークマター-電子散乱モデルを他の説明と区別するための特徴的な指標として果たす役割を検討すること。
• このような多成分モデルの具体的な実現例として、ミラー・ダークマターのフレームワークに焦点を当てること。

提案手法

• DAMAとXENON100のデータにおける年間変動を分析し、それらの位相を比較することで、ダークマター-電子散乱起源との整合性をテストする。
• LUXとSuperCDMSによる核反跳率の制約を適用し、ダークマター検出において電子散乱が核反跳よりも好ましいことを支持する。
• 特にMeVスケールの粒子を有するミラー・ダークマターを想定し、多成分ダークマター状況下でのダークマター-電子散乱をモデル化する。
• XENON100の未変動率上限を満たすために必要な変動率分率を評価し、それが約50%を超える必要があることを明らかにする。
• 地球の自転とダークマターハローを通過する運動に起因する日周変動を、検証可能なシグネチャとして導入する。
• DAMAとXENON100の位相の一貫性を、モデルの妥当性を検証するための主要な制約条件として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変動率分率が50%を超えるダークマター-電子散乱モデルは、DAMAおよびXENON100で観測された年間変動を説明できるか？
• RQ2 XENON100の厳密な未変動率上限は、ダークマター-電子散乱モデルの妥当性にどのような制約を課すか？
• RQ3 ミラー・ダークマターなどのMeVスケールの粒子を有する多成分ダークマターモデルは、観測された変動をどの程度まで受け入れられるか？
• RQ4 日周変動は、ダークマター-電子散乱モデルを他の説明と区別するための役割を果たすか？
• RQ5 DAMAとXENON100の変動位相の一貫性は、共通のダークマター起源を支持するのに十分か？

主な発見

• XENON100実験は、DAMAと整合する位相を持つ電子反跳イベントにおける2.8σの年間変動を観測し、共通の起源の可能性を支持する。
• XENON100の未変動率に対する厳密な上限は、いかなるダークマター-電子散乱解釈に対しても、変動率分率が約50%を超える必要があることを示唆する。
• MeVスケールのダークマター粒子を有する多成分ダークマターモデル、特にミラー・ダークマターは、必要な大きな変動率分率を満たすことができる。
• 日周変動は、ダークマター-電子散乱モデルをテストするための重要な観測可能な指標と特定され、バックグラウンド効果と区別する手段を提供する。
• DAMAとXENON100の変動位相の一貫性は、変動率分率が十分に高い限り、ダークマター起源を支持する証拠を強化する。
• 位相の一貫性と高い変動率分率の両方が組み合わさることで、ダークマター-電子散乱は、観測信号を説明する可能性はあるが、極めて制約の厳しい妥当な解釈となる。