[论文解读] XENON1T anomaly from anomaly-free ALP dark matter

Fuminobu Takahashi, Masaki Yamada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出，XENON1T 电子反冲过量现象可由质量为几 keV 且与电子耦合常数为 $g_{ae} \sim 10^{-13}$ 的无异常轴子样态粒子（ALP）暗物质解释。该 ALP 通过抑制其与光子的耦合，避免了 U(1) 异常，同时解释了恒星冷却异常，并预测了可探测的 X 射线谱线信号，若 ALP 占据约 10% 的暗物质，则 ATHENA 的灵敏度可证实其可行性。

ABSTRACT

Recently, an anomalous excess was found in the electronic recoil data collected at the XENON1T experiment. The excess may be explained by an axion-like particle (ALP) with mass of a few keV and a coupling to electron of $g_{ae} \sim 10^{-13}$, if the ALP constitutes all or some fraction of local dark matter (DM). In order to satisfy the X-ray constraint, the ALP coupling to photons must be significantly suppressed compared to that to electrons. This strongly suggests that the ALP has no anomalous couplings to photons, i.e., there is no U(1)$_{ m PQ}$-U(1)$_{ m em}$-U(1)$_{ m em}$ anomaly. We show that such anomaly-free ALP DM predicts an X-ray line signal with a definite strength through the operator arising from threshold corrections, and compare it with the projected sensitivity of the ATHENA X-ray observatory. The abundance of ALP DM can be explained by the misalignment mechanism, or by thermal production if it constitutes a part of DM. In particular, we find that the anomalous excess reported by the XENON1T experiment as well as the stellar cooling anomalies from white dwarfs and red giants can be explained simultaneously better when the ALP constitutes about 10\% of DM. As concrete models, we revisit the leptophilic anomaly-free ALP DM considered in [Phys.Lett.B 734 (2014) 178-182] as well as an ALP model based on a two Higgs doublet model in the supplemental material.

研究动机与目标

• 通过 keV 量级轴子样态粒子（ALP）暗物质候选者解释 XENON1T 电子反冲过量现象。
• 通过将 ALP 与光子的耦合强度相对于电子的耦合强度抑制，确保 ALP 模型无异常。
• 通过 ALP 与白矮星和红巨星中观测到的恒星冷却异常相协调，实现一致性。
• 预测 ALP 衰变产生的可探测 X 射线谱线信号，该信号可由 ATHENA 空间望远镜检验。
• 探索生成观测到的 ALP 暗物质丰度的可行机制——非对称生成或热生成。

提出的方法

• 构建一个 U(1) 规范对称性模型，其中包含一种偏好轻子的 ALP，其与电子强耦合但与光子弱耦合，以确保无异常。
• 利用阈值修正生成一个维度-5 的算符，诱导 ALP 衰变为两个光子，从而产生可探测的 X 射线谱线。
• 计算 X 射线谱线的流量，并与 ATHENA X 射线望远镜的预期灵敏度进行比较。
• 采用非对称生成机制或热生成机制，以生成所需的 ALP 暗物质丰度。
• 通过 X 射线观测和恒星能量损失的约束，确定 ALP 耦合强度。
• 重新审视并扩展两个具体模型：一种偏好轻子的 ALP 模型，以及补充材料中的一种双 Higgs 双重态模型变体。

实验结果

研究问题

• RQ1 无异常的 ALP 暗物质模型是否能在不违反 U(1) 异常的前提下解释 XENON1T 的电子反冲过量？
• RQ2 ALP 衰变产生的 X 射线谱线信号预测为何？其是否在 ATHENA 望远镜的探测能力范围内？
• RQ3 ALP 与电子及光子的耦合强度如何限制其同时解释 XENON1T 过量和恒星冷却异常的能力？
• RQ4 ALP 必须占多少比例的暗物质，才能同时解释 XENON1T 过量和恒星冷却数据？
• RQ5 观测到的 ALP 丰度是否能通过非对称生成或热生成机制自然生成？

主要发现

• XENON1T 过量可由质量为 keV 量级的 ALP 解释，其 $g_{ae} \sim 10^{-13}$，与电子强耦合但与光子弱耦合，以避免异常。
• 该 ALP 模型预测了来自 ALP 衰变为两个光子的显著 X 射线谱线信号，其源于阈值修正。
• 预测的 X 射线谱线流量处于 ATHENA X 射线望远镜的灵敏度范围内，可在未来进行检验。
• 该模型通过增强 ALP 辐射导致的能量损失，同时解释了白矮星和红巨星中的恒星冷却异常。
• 为最佳拟合 XENON1T 过量和恒星冷却数据，ALP 暗物质约占总暗物质密度的 10%。
• 根据模型参数，ALP 丰度可通过非对称生成机制或热生成机制自然生成。