[論文レビュー] Hidden sector dark matter explains the DAMA, CoGeNT and CRESST-II experiments

R. Foot|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、U(1)'ゲージ群のもとで電荷をもつ2つの安定粒子（F₁およびF₂）を有する多成分隠れたセクターのダークマター模型を提案する。この模型では、標準模型のU(1)Yと混合する運動項を介して、核子とのラザフォード型散乱が可能となる。この模型は、DAMAの年間モodulation信号、CoGeNTの過剰、CRESST-IIの電子反跳事象、およびCDMS/Siの信号を同時に説明可能であるが、XENON100の結果と矛盾する可能性がある。

ABSTRACT

We examine data from the DAMA, CoGeNT, CRESST-II and CDMS/Si direct detection experiments in the context of multi-component hidden sector dark matter. The models considered feature a hidden sector with two or more stable particles charged under an unbroken $U(1)'$ gauge interaction. The new gauge field can interact with the standard $U(1)_Y$ via renormalizable kinetic mixing, leading to Rutherford-type elastic scattering of the dark matter particles off ordinary nuclei. We consider the simplest generic model of this type, with a hidden sector composed of two stable particles, $F_1$ and $F_2$. We find that this simple model can simultaneously explain the DAMA, CoGeNT, CRESST-II and CDMS/Si data. This explanation has some tension with the most recent results from the XENON100 experiment.

研究の動機と目的

• DAMA、CoGeNT、CRESST-II、CDMS/Siの複数の直接検出実験で観測された異常な信号を、一つの理論的枠組みで説明すること。
• 2つの安定粒子とU(1)'ゲージ対称性を有する最小限の隠れたセクター模型が、これらの信号を同時に説明可能かどうかを調査すること。
• XENON100実験の最新のnull結果を踏まえた上で、このような模型の妥当性を評価すること。

提案手法

• 2つの安定でU(1)'に電荷をもつ粒子（F₁およびF₂）と、破れがないU(1)'ゲージ相互作用を有する最小限の隠れたセクター模型を構築する。
• 隠れたU(1)'と標準模型の hypercharge U(1)Y ゲージボソンの間に、ローレンツ不変な運動項混合項を導入する。
• Z'交換を介したF₁およびF₂の核子および電子とのラザフォード型弾性散乱断面積を計算する。
• DAMA、CoGeNT、CRESST-II、CDMS/Si実験での観測データと、模型が予測する反跳スペクトルを比較する。
• 質量、混合角、結合定数を含む模型パラメータを、グローバルフィットによって制約する。
• 予測されたイベントレートと観測限界を比較することで、XENON100実験のnull結果との整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 U(1)'ゲージ対称性を有する2成分の隠れたセクターのダークマター模型は、DAMAの年間モodulation信号と、CoGeNT、CRESST-II、CDMS/Siの過剰を同時に説明可能か？
• RQ2 4つの実験的信号をすべて適合させるために必要なパrameter範囲（質量、結合定数、混合角）は何か？
• RQ3 この模型が予測する電子反跳および核子反跳のイベントレートは、XENON100実験の感度およびnull結果とどのように比較されるか？
• RQ4 隠れたセクターと標準模型のU(1)ゲージ群間の運動項混合が、検出可能な散乱過程を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 2つの安定なダークマター成分を有する状況において、現在の宇宙論的および天体物理学的制約のもとで、この模型は妥当性を保っているか？

主な発見

• 2つの安定した隠れたセクター粒子（F₁およびF₂）と運動項混合を有する模型は、DAMAの年間モodulation信号、CoGeNTの過剰、CRESST-IIの電子反跳事象、およびCDMS/Siの信号を同時に説明可能である。
• 模型はZ'交換を介したラザフォード型散乱を予測し、核子反跳および電子反跳実験での観測された反跳スペクトルを自然に説明できる。
• 必要な運動項混合パラメータは小さいが非ゼロであり、摂動的制約および宇宙論的境界と整合的である。
• XENON100実験における模型の予測イベントレートは観測限界以下であるが、非自明な矛盾を示しており、最新のデータと潜在的な矛盾を示唆している。
• 2成分のダークマター状況により、実験間で観測された異なるエネルギー依存性および反跳タイプの自然な説明が可能である。
• 現在の制約のもとで模型は妥当性を保っているが、低質量および電子反跳信号に対する感度が向上した今後の実験が、その予測を検証する上で極めて重要である。