[论文解读] Constraints on GeV Dark Matter interaction with baryons, from a novel Dewar experiment

Xingchen Xu, Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用 10

一句话总结

该论文通过一项新颖的杜瓦瓶实验，测量液氮的蒸发速率，推导出对GeV尺度暗物质（DM）与重子相互作用的新约束。通过使用杨-米尔斯势建模DM-核子散射，并严格处理非微扰效应，该研究排除了0.8–5.5 GeV暗物质质量下，DM-核子自旋无关截面高于$10^{-26}$至$10^{-26.3}\ \text{cm}^2$的可能，相较于先前的限制实现了显著提升。

ABSTRACT

Dark matter which scatters off ordinary matter with a relatively large cross section cannot be constrained by deep underground WIMP experiments, due to the energy loss of DM along its path. However, for a sufficiently large cross section, DM particles in the GeV mass range can be captured and thermalized within Earth, resulting in the accumulation of a DM atmosphere whose number density can be as large as $10^{14} ext{ cm}^{-3}$ at Earth's surface. (If the DM-nucleon interaction is attractive and bound states can be formed, most DM bind to nuclei and the density is much lower.) Neufeld and Brach-Neufeld performed experiments to constrain the DM-baryon scattering cross section of DM atmosphere around Earth, by measuring the evaporation rate of liquid nitrogen in a storage dewar within which various materials are immersed. If the DM-nitrogen cross section is in an appropriate range, room temperature DM would penetrate the dewar walls and scatter on the cold nitrogen, increasing its evaporation rate beyond the observed level. Limits on the cross section of DM with other materials than nitrogen are obtained by adding known amounts of different materials; if the material is heated by interactions with DM, that heats and evaporates the liquid nitrogen. Because Born approximation is in general invalid in much of the relevant cross section regime, it is non-trivial to interpret such experimental results as a limit on the DM-nucleon cross section. In this paper we derive the constraints on DM-baryon scattering, with the interaction modeled as a Yukawa potential sourced by the finite sized nucleus. Combining the dewar constraints with BBN, we exclude for the first time a cross section above $10^{-26} ext{ cm}^{2}$ for DM mass 0.8-5.5 GeV, for any sign interaction. One DM model that is constrained is sexaquark $(uuddss)$ DM with mass $m_X \sim 2$ GeV; it remains viable.

研究动机与目标

• 为解决大散射截面的GeV尺度暗物质缺乏稳健约束的问题，这类暗物质因大气层和地壳中的能量损失，无法被传统地下WIMP探测器探测到。
• 将Neufeld与Brach-Neufeld杜瓦瓶实验（测量在多种材料存在下液氮异常蒸发）解释为对DM-重子散射截面的约束。
• 通过发展DM-核子散射的严格非微扰处理方法，克服在相关截面区域中Born近似失效的局限性。
• 将杜瓦瓶约束与大爆炸核合成（BBN）限制相结合，排除0.8至5.5 GeV质量范围内此前未被约束的暗物质参数空间区域。
• 评估特定暗物质模型（如$m_X \sim 2$ GeV的sexaquark DM）在新约束下的可行性。

提出的方法

• 使用由有限尺寸核子源激发的杨-米尔斯势建模DM-核子散射，考虑在微扰近似失效区域中起关键作用的非微扰效应。
• 应用严格的非微扰形式体系计算DM-核子散射截面，避免在微扰处理中出现的与原子质量数$A$错误缩放的问题。
• 利用含不同材料的杜瓦瓶中液氮的实测蒸发速率，推断DM散射引起的能量沉积，假设地球大气中DM处于热平衡态。
• 将观测到的蒸发增强效应转化为对DM-核子自旋无关截面$ olimits\sigma_p$的限制，使用推导出的非微扰截面。
• 将杜瓦瓶约束与大爆炸核合成（BBN）的宇宙学边界结合，以加强排除限制。
• 验证方法在介子质量$m_\phi \gtrsim 1$ GeV时的有效性，对$m_\phi < 1$ GeV时近似有效，但建议对精度要求高的情况重新全面分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在相关截面区域中Born近似失效，Neufeld与Brach-Neufeld杜瓦瓶实验是否仍能为GeV尺度暗物质与重子的相互作用提供稳健约束？
• RQ2 对于0.8–5.5 GeV质量的暗物质及截面高达$10^{-26}\ \text{cm}^2$的情况，DM-核子散射的正确非微扰处理方法是什么？
• RQ3 杜瓦瓶实验的约束与现有宇宙学限制（如BBN和CMB）相比，在此前未被约束的GeV尺度暗物质参数空间中表现如何？
• RQ4 当结合杜瓦瓶数据与BBN约束时，DM-核子自旋无关截面的排除范围是什么？相较于先前限制有何改进？
• RQ5 在新推导出的杜瓦瓶实验与宇宙学边界约束下，sexaquark DM模型（$m_X \sim 2$ GeV）是否仍具有可行性？

主要发现

• 该研究排除了0.8至5.5 GeV暗物质质量下，DM-核子自旋无关截面高于$10^{-26}$至$10^{-26.3}\ \text{cm}^2$的可能，相较于先前限制实现显著提升。
• 该排除范围基于对杨-米尔斯相互作用的非微扰处理，纠正了该区域中Born近似失效的问题。
• 杜瓦瓶实验为1至3 GeV质量范围的暗物质提供了迄今为止最强的约束，排除$ olimits\sigma_p > 10^{-26.3}\ \text{cm}^2$。
• 在DM质量1.3至4 GeV范围内，还发现一个额外的排除区域，位于$ olimits\sigma_p \sim 10^{-30}\ \text{cm}^2$附近，进一步压缩了参数空间。
• 对于$m_X \sim 2$ GeV的sexaquark DM模型仍具可行性，因为一般排除限位于其预期截面范围的上限，且由于耦合常数符号未知，条件排除限并不构成约束。
• 将杜瓦瓶约束与BBN限制结合，排除了此前未被约束的暗物质参数空间区域，尤其对吸引力相互作用及$m_\phi \gtrsim 1$ GeV的情况更为显著。