[論文レビュー] GeV Scale Inelastic Dark Matter with Dark Photon Mediator via Direct Detection and Cosmological/Laboratory Constraints

Hong-Jian He, Yu-Chen Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、右手スピン1/2フェルミオンに結合する$U(1)_X$ゲージ対称性を実現するGeVスケールの非弾性ダークマター模型を提案し、ダークフォトン媒介子を介してkeVスケールの質量スプリングを自然に生成する。この模型は、$m_X \lesssim 1.5$ GeVでXENON1Tの電子反跳異常を説明し、核反跳データおよび宇宙論的・実験的制約と整合的であり、将来の探索に向けた予測可能で検証可能なベンチマークを提供する。

ABSTRACT

We propose a new candidate of GeV scale inelastic dark matter (DM). Our construction has an anomaly-free $U(1)_X^{}$ gauge group with dark photon mediator, and can realize either scalar or fermionic inelastic DM. It is highly predictive and testable. We study the scattering rate of light inelastic DM with electrons in the XENON1T experiment and with nuclei in the XENON1T, CRESST-III, CDEX-1B and DarkSide-50 experiments. We resolve the recent XENON1T anomaly via electron recoil detection. Combining the XENON1T constraints from both electron recoils and nuclear recoils (including Migdal effect), we predict the inelastic DM mass $\lesssim 1.5$GeV. We further analyze the bounds by the DM relic abundance, the lifetime of the heavier DM component, and laboratory constraints, from which we identify the viable parameter space for the future probe. This provides an important benchmark for the theories and experimental tests of GeV scale inelastic DM.

研究の動機と目的

• XENON1Tの2–3.5 keVにおける電子反跳異常を、電子との非弾性ダークマター散乱によって解消すること。
• 右手スピン1/2フェルミオンに結合する、ローレンツ不変で異常なしの$U(1)_X$模型を構築し、ダークフォトン媒介子を介して自然にkeVスケールの質量スプリングを生成すること。
• XENON1T、CRESST-III、CDEX-1B、DarkSide-50の直接検出データを用いて、電子反跳および核反跳の両方の観測と整合するかを検証すること。
• ダークマターの重い成分$X'$の寿命および残存密度に関する宇宙論的制約を導出し、電弱精度テストおよび加速器探索からの実験的制約を評価すること。
• 将来の実験的探査に向けた予測可能で検証可能なGeVスケールの非弾性ダークマターのパラメータ空間を特定すること。

提案手法

• 右手スピン1/2の第一族フェルミオンに結合する$U(1)_X$ゲージ対称性を導入し、相互作用を媒介するダークフォトン$A'_\mu$を導入する。
• スカラー・シー・スイッチ機構を導入し、ダークマター状態$X$と$X'$間の小さな、$O(\text{keV})$スケールの質量スプリング$\Delta m_X \approx 2-3.5$ keVを生成する。
• XENON1Tの異常を再現するため、零運動量極限におけるDM-電子散乱断面積$\bar{\sigma}_e/m_X \approx 5.7 \times 10^{-44}\,\text{cm}^2/\text{GeV}$を計算する。
• 改良された取り扱い（付録A）を用いてMigdal効果寄与を含めた電子反跳スペクトルと核反跳データを用いて直接検出信号を評価する。
• 熱的凍結アウトと位相空間抑制を用いてDMの残存密度と$X'$の寿命を計算し、宇宙論的安定性を保証する。
• 特にXENON1Tデータからの$m_{A'}/g_X$の制約を用いて、$A'$ゲージボソンに関する電弱精度テストおよび加速器探索からの制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeVスケールの非弾性ダークマター模型にダークフォトン媒介子を導入した場合、2–3.5 keVにおけるXENON1Tの電子反跳過剰を説明できるか？
• RQ2 XENON1T、CRESST-III、CDEX-1B、DarkSide-50の電子反跳および核反跳データと両立する最大のダークマスは何か？
• RQ3 スカラー・シー・スイッチ機構は、微調整を必要とせず、どのようにkeVスケールの質量スプリングを生成するのか？
• RQ4 この模型における$X'$の寿命および残存密度に関する宇宙論的制約は何か？
• RQ5 電弱精度テストおよび加速器探索からの制約は、ダークフォトンの有効なパラメータ空間にどのように影響するか？

主な発見

• 模型は、ダークマスが$m_X \lesssim 1.5$ GeVの範囲でXENON1Tの電子反跳異常を説明でき、観測されたピーク$E_R \approx 2-3.5$ keVと整合的である。
• 必要なDM-電子散乱断面積は、零運動量極限で$\bar{\sigma}_e/m_X \approx 5.7 \times 10^{-44}\,\text{cm}^2/\text{GeV}$である。
• Migdal効果寄与を含めたXENON1T、CRESST-III、CDEX-1B、DarkSide-50の核反跳データとも整合的である。
• $X'$成分は、$X$への崩壊が位相空間抑制を受けるため、宇宙論的に安定であり、宇宙年齢を超える寿命を有する。
• ダークフォトン質量が$m_{A'} < 2m_X$のとき、DMの観測された残存密度を達成でき、電弱精度テストおよび加速器探索の制約を満たす。
• ハグス・セクターはメソン混合によって制約を受けており、自然な結合を満たすためには$M_{h_1} \gtrsim 6$ TeVおよび$v_1 \lesssim 3.6$ GeVである必要がある。また、LHCラン3およびHL-LHCで$h_2 \to \mu^\pm e^\mp$の生成が予測される。