[论文解读] Cosmic-ray boosted dark matter in Xe-based direct detection experiments

Tarak Nath Maity, Ranjan Laha|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了氙基直接探测实验中宇宙射线加速的亚吉电子伏特（sub-GeV）暗物质（DM），利用高能宇宙射线产生可触发可探测核反冲的高能DM粒子。基于LUX-ZEPLIN（LZ）实验的结果，作者将近1 MeV DM质量附近的自旋无关DM-核子散射截面约束提高了约2倍，且预测未来实验如XENONnT和Darwin将分别实现约3倍和10倍的进一步改进。

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) collaboration has achieved the strongest constraint on weak-scale dark matter (DM)-nucleon spin-independent (SI) scattering cross section in a large region of parameter space. In this paper, we take a complementary approach and study the prospect of detecting cosmic-ray boosted sub-GeV DM in LZ. In the absence of a signal for DM, we improve upon the previous constraints by a factor of $\sim 2$ using the LZ result for some regions of the parameter space. We also show that upcoming XENONnT and future Darwin experiments will be sensitive to cross sections smaller by factors of $\sim 3$ and $\sim 10$ compared to the current LZ limit, respectively.

研究动机与目标

• 探索通过宇宙射线散射被加速的亚吉电子伏特暗物质粒子的可探测性，以克服直接探测实验的低能阈值限制。
• 利用最新的LUX-ZEPLIN（LZ）数据，改进亚吉电子伏特暗物质在自旋无关DM-核子散射截面方面的现有约束。
• 预测即将开展的氙基实验——XENONnT、未来LZ和Darwin对宇宙射线加速暗物质的探测灵敏度。
• 评估宇宙射线加速暗物质作为弱尺度与轻暗物质理论框架下轻暗物质互补探测手段的可行性。

提出的方法

• 使用参数化宇宙射线通量（参考文献[77]中的全球拟合模型）作为输入，计算宇宙射线加速暗物质（CRDM）粒子的通量。
• 应用参考文献[24]中的CRDM产生框架，利用截面和宇宙射线能谱，将DM粒子的微分通量建模为动能的函数。
• 采用参考文献[24]中的灵敏度形式化方法，基于LZ、XENONnT和Darwin实验参数，估算自旋无关DM-核子散射截面的投影限制。
• 通过积分各实验的反冲能量窗口，计算有效探测阈值和信号接受度，同时考虑探测器效率和本底抑制。
• 利用LZ实验结果（60天有效时间，5.5吨有效质量）推导出亚吉电子伏特DM的DM-核子截面的新上限。
• 通过与使用相同宇宙射线通量模型的DarkSUSY模拟结果比对，验证了方法的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线加速的亚吉电子伏特暗物质是否能在氙基直接探测实验（如LZ）中产生可探测的核反冲？
• RQ2 与之前实验（如XENON1T）相比，最新的LZ结果在自旋无关DM-核子散射约束方面有何改进？
• RQ3 在探测宇宙射线加速暗物质方面，未来实验（如XENONnT和Darwin）可预期获得多大的灵敏度提升？
• RQ4 宇宙射线通量模型的选择在多大程度上影响对亚吉电子伏特暗物质的投影灵敏度？

主要发现

• 当前LZ结果将近1 MeV DM质量附近的自旋无关DM-核子散射截面约束提高了约2倍，优于先前XENON1T的限制。
• 未来XENONnT和LZ的数据预计可使亚吉电子伏特DM的灵敏度相比当前LZ限制提高约3倍。
• 即将开展的Darwin实验预计可使亚吉电子伏特DM的灵敏度相比当前LZ限制提高约10倍。
• 本研究证实，宇宙射线加速DM为探测轻暗物质提供了一条可行且互补的路径，尤其在标准直接探测阈值失效的区域具有优势。
• Darwin的投影灵敏度预计可探测低于10^-51 cm²的DM-核子散射截面，显著扩展了当前实验的探测范围。
• 通过与DarkSUSY模拟的一致性检查，验证了方法的可靠性，确认了所推导约束和预测的可信度。