[论文解读] Can dark matter - electron scattering explain the DAMA annual modulation consistent with XENON100 constraints?

R. Foot|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文研究了一类具有较大调制分数（>50%）的暗物质-电子散射模型是否能够解释 DAMA 实验中观测到的年周期调制，以及最近在 XENON100 中探测到的 2.8σ 调制，重点关注具有 MeV 能量尺度的暗物质粒子的多组分暗物质模型，特别是镜像暗物质。研究强调了昼夜变化作为此类模型的关键检验手段。

ABSTRACT

For many years annually modulating $\sim$ keV scintillations have been observed in the DAMA/NaI and DAMA/Libra experiments. A dark matter - electron scattering interpretation is now favoured given the stringent constraints on nuclear recoil rates obtained by LUX, SuperCDMS and other experiments. Very recently, the XENON100 experiment has observed a modest annual modulation in their electron recoil events (2.8 $σ$ C.L.) with phase consistent with that of the DAMA experiments. However, they also found a stringent upper limit on the unmodulated rate, which suggests that any dark matter - electron scattering interpretation of these annual modulations must involve a large modulation fraction $\stackrel{>}{\sim} 50\%$. Here we discuss the extent to which these results might be able to be accommodated within multi-component dark matter models featuring light dark matter particles of mass $\sim$ MeV, focusing on the mirror dark matter case for definiteness. The importance of diurnal variation as a means of testing these kinds of models is also discussed.

研究动机与目标

• 评估是否存在一种暗物质-电子散射解释，能够调和 DAMA 实验中观测到的年周期调制与 XENON100 实验最近探测到的 2.8σ 电子反冲调制。
• 考察 XENON100 对未调制率的严格上限对暗物质-电子散射模型可行性的约束，要求任何可行的解释中调制分数必须超过 50%。
• 评估具有轻量级暗物质粒子（~MeV）的多组分暗物质模型在解释观测到的调制现象方面的可行性。
• 探讨昼夜变化在区分暗物质-电子散射模型与其他解释中的作用。
• 聚焦于镜像暗物质框架，作为此类多组分模型的具体实现。

提出的方法

• 分析 DAMA 和 XENON100 数据中的年周期调制，比较其相位以检验其是否与暗物质-电子散射起源一致。
• 应用 LUX 和 SuperCDMS 对核反冲率的约束，以支持在暗物质探测中优先考虑电子散射而非核反冲。
• 在多组分暗物质情景下建立暗物质-电子散射模型，特别关注具有 MeV 能量尺度粒子的镜像暗物质。
• 评估满足 XENON100 未调制率上限所需的调制分数，发现其必须超过 ~50%。
• 引入昼夜变化作为可检验的信号，其源于地球自转及在暗物质晕中的运动。
• 利用 DAMA 与 XENON100 之间相位的一致性作为关键约束，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有较大调制分数（>50%）的暗物质-电子散射模型能否解释 DAMA 和 XENON100 中观测到的年周期调制？
• RQ2 XENON100 对未调制率的严格限制如何约束暗物质-电子散射模型的可行性？
• RQ3 具有 MeV 能量尺度粒子（如镜像暗物质）的多组分暗物质模型在多大程度上能够容纳观测到的调制？
• RQ4 昼夜变化在区分暗物质-电子散射模型与其他解释中起到何种作用？
• RQ5 DAMA 与 XENON100 调制之间的相位一致性是否足以支持其具有共同的暗物质起源？

主要发现

• XENON100 实验在电子反冲事件中观测到 2.8σ 的年周期调制，且其相位与 DAMA 一致，支持其可能存在共同起源。
• XENON100 对未调制率的严格上限意味着，任何暗物质-电子散射解释都必须具有超过 ~50% 的调制分数。
• 具有 MeV 能量尺度暗物质粒子的多组分暗物质模型——特别是镜像暗物质——能够容纳所需的高调制分数。
• 昼夜变化被识别为检验暗物质-电子散射模型的关键可观测量，为区分其与背景效应提供了途径。
• DAMA 与 XENON100 调制之间相位的一致性加强了其具有暗物质起源的论据，前提是调制分数足够高。
• 相位一致性与高调制分数的结合使得暗物质-电子散射成为解释观测信号的可行方案，尽管其受到高度约束。