[论文解读] Connecting Primordial Black Hole to boosted sub-GeV Dark Matter through neutrino

Wei Chao, Tong Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出了一种通过原初黑洞（PBHs）蒸发产生的中微子，将原初黑洞（PBHs）与亚GeV暗物质（DM）联系起来的新机制，该机制可将轻量级DM粒子加速至半相对论速度。PBH-中微子诱导的加速暗物质（PBH ν BDM）情景能够解释XENON1T中keV能量反冲过剩现象，并预测未来直接探测实验可探测到DM-电子散射截面超过10⁻²⁹ cm²、且PBH质量分数f_PBH高达10⁻⁵（当m_χ ≲ 0.5 MeV时）。

ABSTRACT

The explorations of alternative dark matter (DM) candidates beyond WIMP motivated primordial black holes (PBHs) or sub-GeV DM particle in the Milky Way. Neutrinos from PBH evaporation at the present times play as a novel medium boosting sub-GeV DM and leaving signatures in the terrestrial experiments. We explore the boosted DM by the neutrino flux from PBH evaporation (PBH$ν$BDM) so as to connect the macroscopic PBHs to sub-GeV DM particle. We consider this PBH$ν$BDM scenario to interpret the XENON1T keV excess. The projected bounds on the sub-GeV DM-electron scattering cross section and the fraction of DM composed of PBHs $f_{ m PBH}$ are imposed for future experiments.

研究动机与目标

• 通过中微子介导的加速机制，将宏观原初黑洞（PBHs）与亚GeV暗物质（DM）联系起来。
• 利用PBH ν BDM情景解释XENON1T中keV能量电子反冲过剩现象。
• 推导当前对DM-电子散射截面σ_χe和银河系晕中PBH质量分数f_PBH的约束，以及未来对这些参数的预测边界。
• 评估未来直接探测实验对PBH ν BDM信号的探测灵敏度，尤其针对轻量级DM（m_χ ≲ 0.5 MeV）的情况。

提出的方法

• 使用BlackHawk代码计算原初黑洞蒸发产生的微分中微子能谱，包含主要和次级贡献。
• 计算银河系晕中PBH及星系际源的中微子通量，考虑红移和距离效应。
• 在银河系晕中建模DM-中微子散射，采用σ_νχ = σ_χe的截面，导致DM被加速至半相对论能量（即BDM）。
• 计算抵达地球的BDM通量及其在低能直接探测实验（如XENON1T）中与电子的相互作用率。
• 对XENON1T电子反冲谱应用背景模型，并通过拟合数据约束m_χ和σ_χe。
• 预测XENON实验（如一吨年曝光量）对σ_χe和f_PBH的未来探测灵敏度，并与伽马射线和CMB观测的现有约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞蒸发产生的中微子是否能提供一种可行机制，将亚GeV暗物质粒子加速至地面实验中可探测的能量？
• RQ2 PBH ν BDM情景在多大程度上能够解释XENON1T中keV能量反冲事件的过剩现象？
• RQ3 未来直接探测实验对DM-电子散射截面σ_χe和PBH质量分数f_PBH的预测边界是什么？
• RQ4 PBH ν BDM情景与星系际伽马射线及CMB各向异性观测的现有约束相比如何？
• RQ5 对于轻量级DM（m_χ ≲ 0.5 MeV），未来实验对PBH ν BDM信号的探测灵敏度范围如何？

主要发现

• PBH ν BDM情景对XENON1T中keV能量反冲过剩现象提供了良好拟合，最优暗物质质量为m_χ ≈ 300 MeV，DM-电子散射截面为σ_χe ≈ 1.1 × 10⁻²⁸ cm²。
• 当m_χ ≈ 0.1 MeV时，σ_χe在95%置信水平下的上限超过10⁻²⁹ cm²，且当σ_χe ≳ 10⁻²⁸ cm²时排除更为严格。
• 未来具有1吨年曝光量的XENON实验可探测m_χ ≲ 0.5 MeV的PBH ν BDM情景，探测灵敏度显著优于当前限制。
• 与当前星系际伽马射线约束相比，当σ_χe = 10⁻³⁰ cm²时，对f_PBH的预测边界可提升达10倍（当M_PBH ≳ 2 × 10¹⁵ g时）。
• 地球屏蔽效应将可探测的BDM通量限制在1.4 km（LNGS）或2.4 km（CJPL）路径内，该效应已纳入未来灵敏度曲线的计算中。
• PBH ν BDM通量的量级与Calabrese等人（2021b）近期提出的直接PBH发射轻量DM的通量相当，尽管相互作用通道不同（DM-电子 vs. DM-核子）。”