[论文解读] Cosmic-ray dark matter confronted by constraints on new light mediators

Nicole F. Bell, Jayden L. Newstead+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy参考文献 72被引用 3

一句话总结

本文研究了通过轻规范玻色子耦合至核子的宇宙射线暗物质（CRDM）上转换，作为探测亚GeV暗物质的手段。结合来自Borexino、XENON1T、LZ和Super-K的约束，研究发现现有对规范玻色子的限制——尤其是来自介子衰变和恒星冷却的限制——已排除了CRDM信号可被探测到的参数空间，导致CRDM约束具有高度模型依赖性，对探测暗物质的作用有限。

ABSTRACT

The detectability of light dark matter in direct detection experiments is limited by the small kinetic energy of the recoiling targets. Thus, scenarios where dark matter is boosted to relativistic velocities provide a useful tactic to constrain sub-GeV dark matter particles. Of the possible dark matter boosting mechanisms, cosmic-ray upscattering is an appealing paradigm as it doesn't require any additional assumptions beyond dark matter coupling to nucleons or electrons. However, detectable signals are obtained only with relatively large cross sections which, in turn, can only be realized with large couplings, light mediators or composite dark matter. In this work we consider a general set of light mediators that couple dark matter to hadrons. Using data from Borexino, XENON1T, LZ and Super-K, we show that existing constraints on such mediators preclude appreciable cosmic-ray dark matter upscattering. This finding highlights the limited applicability of cosmic-ray upscattering constraints and suggests they only be used in model-dependent studies.

研究动机与目标

• 评估宇宙射线暗物质（CRDM）上转换在直接探测实验中作为亚GeV暗物质探测手段的可行性。
• 评估CRDM信号是否能规避轻规范玻色子介导的暗物质-核子相互作用的现有约束。
• 确定当前及未来的直接探测和中微子实验是否能够探测尚未被规范玻色子约束排除的参数空间。
• 量化规范玻色子约束——特别是来自介子衰变、恒星冷却和SN1987A——对CRDM探测前景的影响。
• 强调CRDM约束的模型依赖性，并指出CRDM作为轻暗物质通用探测手段的局限性。

提出的方法

• 构建了一类包含标量、矢量、轴矢量和赝标量规范玻色子的简化模型，这些规范玻色子将暗物质与核子耦合。
• 利用动量依赖的截面计算CRDM通量，考虑了宇宙射线在核子上发生上转换的动力学过程。
• 应用来自介子衰变（如$K \to \pi \pi$）、恒星冷却（主序星和红巨星）以及SN1987A中微子发射的约束，限制规范玻色子的耦合强度。
• 利用XENON1T、LZ、Borexino和Super-K的数据评估直接探测的灵敏度，重点关注核反冲阈值和曝光量的标度关系。
• 在规范玻色子质量与耦合的参数空间中，将CRDM探测界限与现有规范玻色子约束进行比较。
• 考虑了地球覆盖层中弹性散射引起的衰减效应，但主要关注来自规范玻色子物理的主导约束，而非传播效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线上转换是否能在亚GeV暗物质的直接探测实验中产生可探测的相对论性暗物质通量？
• RQ2 CRDM探测信号在多大程度上受到现有轻规范玻色子介导的暗物质-核子相互作用约束的影响？
• RQ3 是否存在某些参数空间区域——尤其是对于轻规范玻色子——即使存在现有规范玻色子约束，CRDM探测仍具可行性？
• RQ4 来自介子衰变、恒星冷却和SN1987A的约束与直接探测实验的约束相比，哪一个在排除CRDM信号方面更具约束力？
• RQ5 为探测CRDM尚未被排除的参数空间，探测器灵敏度需提升至何种程度（例如JUNO、DUNE、Hyper-K）？”

主要发现

• 对于所有考虑的规范玻色子类型——标量、矢量、轴矢量和赝标量——现有对规范玻色子的约束已排除了当前实验中CRDM信号可被探测到的参数空间。
• 对规范玻色子耦合最强的约束来自介子衰变（如$K \to \pi \pi$）和恒星冷却，尤其对标量和赝标量规范玻色子而言。
• 矢量规范玻色子的约束主要来自介子衰变，轴矢量规范玻色子的约束主要来自SN1987A，而轴耦合很可能受到更强的天体物理约束。
• 在SI模型中，LZ的低阈值和核截面增强的氙靶在参数空间内提供了最强的CRDM约束。
• 在SD模型中，Borexino由于对电子反冲的敏感性和低能阈值，提供了最强的约束。
• 未来探测器如JUNO、DUNE和Hyper-K仅能缓慢提升CRDM限制，其灵敏度随曝光量的四次方根增长，且无法探测已被规范玻色子约束排除的区域。