[论文解读] Atomic Size Dark Matter Pearls, Electron Signal

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用 6

一句话总结

本文提出一种暗物质模型，其中暗物质由原子尺寸的真空泡（“珍珠”）组成，内部包含压缩的原子物质，并带有外围电子云。这些珍珠通过在精确3.5 keV处的电子激发与辐射，解释了3.5 keV X射线谱线、DAMA-LIBRA的季节性调制现象以及Xenon1T中的电子反冲过剩，所有现象均在标准模型框架内实现，无需引入新物理。

ABSTRACT

We explain both the observation of dark matter by the seasonal variation of the DAMA-LIBRA data and the observation of ``electron recoil'' events at Xenon1T by the SAME dark matter model. This DM is bubbles of a new type of vacuum containing ordinary atomic matter under high pressure ensured by the surface tension of the domain wall. Surrounding it a cloud of electrons almost of atomic size. Also we explain the self interactions of dark matter suggested by astronomical studies of dwarf galaxies etc. Interaction in the shielding slows the dark matter down to a low terminal velocity. Nuclei in the underground detectors are thus not detected. Further we explain the ``mysterious'' X-ray line of 3.5 keV from our dark matter particles colliding with each other so that the surfaces/skins unite. Even the 3.5 keV X-ray radiation from the Tycho supernova remnant is explained as our pearls hitting cosmic rays in the remnant. DAMA-LIBRA and Xenon1T experiments see supposedly our dark matter pearls excited during their stopping in the shielding or the air. The most remarkable support for our type of model is that both these underground experiments see events with about 3.5 keV energy, just the energy of the X-ray line. We get a good numerical understanding of the fitted cross section over mass ratio of self interacting dark matter observed in the study of dwarf galaxies. Also the total energy of the dark matter pearls stopped in the shield is reasonably matching order of magnitudewise with the absolute observation rates of DAMA-LIBRA and Xenon1T, although the their ratio requires further development. Accepting that the different phases of the vacuum could be realized inside the Standard Model, our whole scheme also could. No new physics is needed for dark matter!

研究动机与目标

• 通过暗物质珍珠碰撞解释星系团和银河系中观测到的3.5 keV X射线谱线。
• 利用单一暗物质模型调和DAMA-LIBRA中的季节性调制与Xenon1T中的电子反冲过剩。
• 解释矮星系和星系团中观测到的暗物质自相互作用。
• 提供一种机制，使暗物质能被屏蔽阻挡，并通过电子发射激发闪烁体。
• 证明该模型可在标准模型内运作，无需引入新物理。

提出的方法

• 将暗物质建模为半径约5×10⁻¹² m的纳米尺度真空泡（珍珠），内部含有在表面张力高压下压缩的原子物质（如碳）。
• 引入延伸至约5×10⁻¹¹ m的电子云，其电子能谱中存在一个同能级间隙，可实现3.5 keV的激发。
• 利用珍珠中电子的费米动量确定3.5 keV的激发能量，该能量与珍珠尺寸无关。
• 估算珍珠在大气层和地下屏蔽中的停止过程，使其速度降至接近热运动水平。
• 在如蒂奇诺超新星遗迹等区域建模珍珠与宇宙射线的相互作用，以解释3.5 keV X射线发射。
• 将模型预测的截面与质量比与矮星系中自相互作用暗物质的天文观测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子尺寸的暗物质珍珠能否解释星系团和银河系中观测到的3.5 keV X射线谱线？
• RQ2 同一暗物质模型如何同时解释DAMA-LIBRA中的季节性调制与Xenon1T中的电子反冲过剩？
• RQ3 3.5 keV处的电子激发与发射在连接地下探测信号与天文X射线谱线中起什么作用？
• RQ4 该模型推导出的暗物质自相互作用截面是否与矮星系和星系团中的观测结果相符？
• RQ5 在考虑探测器材料差异的前提下，是否可能在同一框架内解释DAMA-LIBRA与Xenon1T中的观测事例率？

主要发现

• 模型中3.5 keV的激发能量源于珍珠电子能谱中的同能级间隙，其能量由电子费米动量决定，与珍珠尺寸无关。
• 该模型预测的自相互作用暗物质截面与质量比与矮星系的观测结果具有良好定量一致性。
• 停止在屏蔽中的珍珠所沉积的总能量与DAMA-LIBRA和Xenon1T中观测到的事例率量级相符，尽管事例率比值仍需进一步优化。
• 蒂奇诺超新星遗迹中观测到的3.5 keV X射线发射，可由珍珠与遗迹中宇宙射线的碰撞来解释。
• 该模型解释了为何Xenon1T观测到电子反冲事件但未观测到核反冲事件：电子发射在液态氙中不被抑制，而与固态NaI探测器中不同。
• 该模型表明，表面张力满足S¹ᐟ³ ≈ 2.2 MeV时，可形成在宇宙学尺度上延伸的域壁，可能在宇宙网中形成大尺度空洞，而不会破坏宇宙学一致性。