[论文解读] Constraints on light dark matter from primordial black hole evaporation at dark matter direct detection experiments

Wei Zhu, Cheng-Rui Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2026

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 0

一句话总结

本文利用 XENONnT、PandaX-4T 和 LZ 数据，给出通过原初黑洞蒸发产生的光暗物质（PBHBDM）的约束，限定 DM–电子和 DM–核散射截面以及在特定 PBH 质量范围内 PBH 暗物质分数（包括部分蒸发和完全蒸发的 PBH）。“meta_description”:

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs) are able to produce light dark matter (DM) particles via Hawking radiation, and yield a flux of boosted DM that can be probed at underground DM direct detection experiments. We analyze both galactic and extragalactic contributions to the differential flux of light DM from PBH evaporation, and then compute the expected event rate from PBH boosted DM scattering off electrons or nuclei after taking into account the attenuation effect. Using recent data from DM direct detection experiments XENONnT, PandaX-4T and LZ, we set constraints on both DM-electron and DM-nucleus scattering cross sections, as well as the fraction of DM composed of PBHs $f_{ m PBH}$ for $9 imes10^{14}-1 imes10^{16}\,\mathrm{g}$ PBHs that are not fully evaporated today. We also investigate the spectral evolution induced by Hawking evaporation throughout the evaporation and post-evaporation regimes. The constraints on the PBH mass are then extended into the $1 imes10^{13}-6 imes10^{14}\,\mathrm{g}$ window for fully evaporated PBHs.

研究动机与目标

• 将亚GeV 暗物质作为 WIMPs 的可行替代方案予以推动。
• 研究通过原初黑洞 Hawking 蒸发产生的光暗物质（PBHs）产生的暗物质。
• 评估来自地球的银河系和星系外 PBH 对 DM 流的贡献。
• 在探测前考虑通过地球物质的耗散效应。
• 推导 DM–电子和 DM–核散射截面以及 PBH 在今天的丰度的约束。

提出的方法

• 使用 Hawking 辐射谱（BlackHawk v2.3）计算银河系和星系外两部分的 PBH 蒸发 DM 的微分通量。
• 对两种 PBH 质量情形进行建模：部分蒸发 PBH 的 M_PBH 在 [9×10^14, 1×10^16] g；完全蒸发 PBH 的 M_PBH < 6×10^14 g。
• 在 DM 沿着地球物质传播时，考虑能量损失方程对 PBH 提升的 DM 通量的耗散。
• 在基于Xe 基体的探测器中，利用探测器特定效率、能量分辨和淬火因子，计算 DM–电子和 DM–核散射事件率。
• 通过将预测谱与 XENONnT、PandaX-4T 和 LZ 数据进行 χ^2/泊松似然比较，约束 DM–电子和 DM–核散射截面以及 PBH 今日丰度。
• 将约束转化为对 f_PBH 和两种 PBH 情况下的初始 β′_PBH 的界限。

Figure 1: Differential DM flux at Earth as a function of the kinetic energy $T_{\chi}$ for $M_{\rm PBH}=10^{15}\,\mathrm{g}$ (red) or $10^{16}\,\mathrm{g}$ (blue), $m_{\chi}=1\,\mathrm{MeV}$ and $f_{\rm PBH}=1$ . The dashed and dotted lines denote the galactic and extragalactic components, respectiv

实验结果

研究问题

• RQ1 来自直接探测实验观测到的 PBH 提升 DM 通量对光 DM–电子和 DM–核散射截面的约束是多少？
• RQ2 PBH 质量范围（部分蒸发 vs 完全蒸发）如何影响当前 DM 通量及推导的 PBH 丰度上限？
• RQ3 银河系和星系外 PBH 的贡献，以及地球耗散在预测的回弹光谱中起到多大作用？
• RQ4 当前 DD 数据是否能改进以往的 PBHBDM 界限并约束今天的 PBH 暗物质分数？
• RQ5 质量演化和 Hawking 蒸发阶段如何影响 PBH 蒸发 DM 的谱演化？

主要发现

• 研究在使用 XENONnT、PandaX 和 LZ 数据时，在 (mχ, σχe) 平面和 (mχ, σχnSI) 平面得到 2σ 排除区域。
• 排除区域呈现显著特征，包括接近 mχ ≈ me 的低质量点的耗散峰，以及在较大截面处的增强耗散。
• PBH 质量范围在两种情景下分析：部分蒸发 PBH 的 M_PBH 在 [9×10^14, 1×10^16] g；完全蒸发 PBH 的 M_PBH < 6×10^14 g。
• 结果转化为对 PBH 今日暗物质分数 f_PBH 和相应情景的初始丰度参数 β′_PBH 的约束。
• 分析显示宇宙学界限与直接探测搜索在探测 PBH 提升 DM 场景方面具有互补性。

Figure 2: The PBHBDM flux distribution at the detector as a function of DM kinetic energy with $M_{\rm PBH}=10^{15}$ g, $f_{\rm PBH}=1.6\times 10^{-8}$ and the depth of detector $d=1$ km. We consider DM–electron scattering in Earth matter with ${\sigma_{\chi e}=10^{-28}\,\mathrm{cm^{2}}}$ (dashed) a