[论文解读] Atmospheric Dark Matter from Inelastic Cosmic Ray Collision in Xenon1T

Liangliang Su, Wenyu Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出，Xenon1T实验中观测到的电子反冲过量现象，可能由大气暗物质（ADM）解释，该ADM由地球大气层内高能宇宙射线的非弹性碰撞产生。高能宇宙射线可将轻质ADM粒子（约10 keV）加速，使其与电子发生散射，截面大小约为10⁻³⁷–10⁻³⁸ cm²，该模型既能拟合实验数据，又能避开现有直接探测的限制。

ABSTRACT

Very recently, the Xenon1T collaboration has reported an intriguing electron recoil excess, which may imply for light dark matter. In order to interpret this anomaly, we proposed the the atmospheric dark matter (AMD) from the inelastic collision of cosmic rays with the atmosphere. Thanks to the boost effect of high energy CRs, we show that a ${\cal O}(10)$ keV ADM can be fast-moving and successfully fit the observed electron recoil spectra observed through the ADM-electron scattering process. Meanwhile, our ADM predict the scattering cross sections $\sigma_e \sim {\cal O}(10^{-37}- 10^{-38}$) cm$^{2}$, and thus can evade other direct detection constraints. The search for light meson rare decays, such as $\eta o \pi + \slashed E_T$, would provide a complementary probe of our ADM in the future.

研究动机与目标

• 解释Xenon1T实验中观测到的未解译电子反冲过量现象。
• 探讨通过大气中非弹性宇宙射线碰撞产生的轻质暗物质粒子是否可解释该过量现象。
• 确定该情景是否能避开现有直接探测对暗物质的限制。
• 识别可用于检验所提出的“大气暗物质”模型的互补探测手段。

提出的方法

• 模拟地球大气层中非弹性宇宙射线碰撞，以产生高速运动的轻质暗物质粒子。
• 应用高能宇宙射线带来的增强效应，提升亚GeV量级暗物质粒子的通量。
• 计算所提出的“大气暗物质”粒子与电子的散射截面。
• 将预测的电子反冲谱与Xenon1T实验数据进行比较，以评估其一致性。
• 评估现有直接探测实验的限制，以检验该模型的可行性。
• 识别稀有介子衰变（如η → π⁺/E_T）作为潜在的互补探测手段。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气中的非弹性宇宙射线碰撞能否产生足够通量的轻质暗物质粒子，以解释Xenon1T中的电子反冲过量？
• RQ2 为拟合观测到的反冲谱，所需的暗物质质量和散射截面分别是多少？
• RQ3 所提出的“大气暗物质”模型能否避开现有直接探测的限制？
• RQ4 未来可能有哪些实验信号可用于检验该模型？

主要发现

• 所提出的“大气暗物质”粒子质量约为10 keV，与Xenon1T中观测到的电子反冲过量一致。
• 该模型预测电子散射截面为σₑ ≈ 10⁻³⁷–10⁻³⁸ cm²，其数值足够小，可避开现有直接探测的限制。
• 高能宇宙射线的增强效应使高速、弱相互作用的暗物质粒子得以产生，这些粒子可在探测器中与电子发生散射。
• ADM与电子散射所预测的反冲谱在报告的不确定度范围内，与Xenon1T中观测到的过量相符。
• 稀有衰变如η → π⁺/E_T可为所提出的“大气暗物质”模型提供互补的实验检验手段。