[论文解读] XENON1T implications for the DAMA annual modulation: The good, the bad and the ugly

R. Foot|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文重新評估了一種具有碰撞屏蔽的鏡像暗物質模型，該模型通過低能電子反衝解釋了DAMA的年度調制現象。研究發現，儘管該模型能夠同時擬合DAMA信號與XENON1T的電子反衝過剩，但與XENON1T的S2-only分析之間產生了嚴重矛盾，該分析在約1 keV處排除了模型預測的速率，從而對模型的可行性構成重大挑戰，除非該分析存在缺陷。

ABSTRACT

Previous work has argued that the DAMA annual modulation signal might be due to electron recoils in plasma dark matter models. A specific model assuming mirror dark matter and featuring collisional shielding of a detector due to Earth-bound dark matter was put forward by this author [arXiv:1806.04293]. That explanation predicted a low energy electron recoil signal in the XENON1T experiment. In light of the excess of electron recoils observed in XENON1T, we re-examine that model's predictions for both DAMA and XENON1T.

研究动机与目标

• 評估具有碰撞屏蔽的鏡像暗物質模型在解釋DAMA年度調制信號方面的可行性。
• 檢查同一模型是否能同時解釋XENON1T中觀測到的低能電子反衝過剩。
• 評估該模型與近期約束的一致性，特別是來自XENON1T S2-only分析的約束。
• 研究能量尺度不確定性對預測反衝速率能譜形狀的影響。
• 在LUX與XENON1T的矛盾約束背景下，判斷該模型是否仍具備可行性。

提出的方法

• 該模型採用通過動力學混合誘導的庫侖相互作用，使暗電子與普通電子相互作用。
• 引入地球內部暗物質對探測器的碰撞屏蔽效應，從而改變入射暗電子的能量譜。
• 將相互作用速率建模為 dR/dER ∝ 1/ER²（當 ER ≲ ET 時），其中譜的膝點 ET 取決於模型參數。
• 使用先前研究（shield1）中提出的基準點 ET ≈ 1.7 keV 來測試該模型與DAMA和XENON1T數據的一致性。
• 將模型預測與DAMA的年度調制數據、XENON1T的低能過剩以及XENON1T的S2-only分析進行比較。
• 探討能量尺度誤標定是否可能作為一種機制，使陡峭的譜形狀變平以匹配DAMA觀測結果。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有碰撞屏蔽的鏡像暗物質模型能否同時解釋DAMA年度調制與XENON1T的電子反衝過剩？
• RQ2 該模型預測的反衝譜對實驗中能量尺度不確定性的敏感度如何？
• RQ3 該模型在多大程度上被XENON1T S2-only分析所排除，該分析在約1 keV處對電子反衝設定了嚴格的上限？
• RQ4 為何LUX實驗未能觀測到類似的過剩？位置相關的屏蔽效應是否能解釋此差異？
• RQ5 該模型與XENON1T S2-only數據之間的矛盾是分析中的缺陷所致，還是模型本身存在根本性缺陷？

主要发现

• 該模型能夠同時解釋DAMA年度調制與XENON1T電子反衝過剩，但譜形狀存在顯著矛盾。
• 除非引入約0.6 keV的能量尺度不確定性以使譜形狀變平，否則預測的反衝譜過於陡峭，無法匹配DAMA數據。
• XENON1T S2-only分析在 ER ~ 1 keV 處設置了嚴格的限制：dR/dER ≤ 1 事件/公噸/天/keV，與模型預測不相容。
• LUX實驗對電子反衝調制的約束強勁，但若屏蔽效應取決於位置（如海拔或地形），該模型仍可能具有可行性。
• 該模型對XENON1T過剩的預測與觀測速率一致，但僅當譜膝點 ET 高於 ~4 keV，或過剩並非由與DAMA信號相同的物理機制引起時成立。
• 與S2-only分析的不相容性構成重大挑戰，表明該模型極可能不成立，除非該分析存在根本性缺陷。