[论文解读] Cosmology and direct detection of the Dark Axion Portal

Juan Cortabitarte Gutiérrez, Bradley J. Kavanagh+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了暗轴子通道作为一种混合暗物质的可行框架，其中轴子和暗光子共同贡献于宇宙暗物质密度。研究表明，eV量级的暗光子（20–200 eV）和亚-eV量级的轴子（30–400 μeV）可在早期宇宙中一致地产生，并可通过直接探测实验探测到，即使存在与可见光子的动能混合。

ABSTRACT

The Dark Axion Portal provides a model for Dark Matter (DM) in which both Dark Photons $γ^\prime$ and Axions $a$ can contribute to the present day abundance of DM. We study the parameter space of the Dark Axion Portal to pinpoint regions of the parameter space where $γ^\prime$ and $a$ can be produced with sufficient abundance to account for the cosmic DM density, while still being detectable in planned direct detection and axion haloscope experiments. In particular, we explore the production of eV-scale Dark Photons in the Dark Axion Portal, taking into account a possible kinetic mixing between the dark and visible photons, which is essential for the detection of dark photons through absorption in direct searches. We show that a non-zero kinetic mixing does not generally spoil the phenomenology of the model, leaving both the axion and dark photon stable. Viable production mechanisms point to a sub-dominant population of dark photons making up $\lesssim 10\%$ of the DM, with the remainder consisting of axion DM. Dark photons in the mass range $m_{γ^\prime} \sim 20-200\,\mathrm{eV}$ and axions in the mass range $m_a \sim 30 - 400\,μ\mathrm{eV}$ may be produced with these abundances self-consistently in the Dark Axion Portal and are within the reach of future direct searches.

研究动机与目标

• 确定暗轴子通道模型中同时能解释观测到的暗物质密度的轴子与暗光子的可行参数空间。
• 评估未来直接探测实验（包括DAMIC-M和轴子谐振腔）中探测暗光子与轴子的可行性。
• 研究暗光子与可见光子之间的动能混合在实现暗光子探测而不破坏模型稳定性方面的作用。
• 确定产生暗物质组分（特别是通过冻结产生机制）的宇宙学机制，以获得正确的遗迹丰度。

提出的方法

• 通过标量轴子 $a$ 和矢量暗光子 $\gamma'$ 建模暗轴子通道，通过通道相互作用耦合。
• 分析早期宇宙中轴子与暗光子的产生机制，包括预暴胀对齐机制和轴子衰变引起的冻结产生。
• 应用宇宙学约束，如再加热温度 $T_{\mathrm{RH}} < f_a$ 和避免暗光子热化。
• 利用 $\gamma'$ 与可见光子之间的动能混合 $\epsilon$，使暗光子可通过基于CCD的探测器（如DAMIC-M）的吸收实现直接探测。
• 利用实验约束和未来实验的预期探测能力评估探测灵敏度。
• 对质量与耦合参数进行数值扫描，以识别 $(m_{\gamma'}, m_a, \epsilon)$ 参数空间中的可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗轴子通道能否同时产生足够多的轴子与暗光子遗迹丰度，以解释观测到的暗物质密度？
• RQ2 动能混合对本模型中暗光子的稳定性和可探测性有何影响？
• RQ3 哪些轴子与暗光子的质量范围在宇宙学产生机制和未来直接探测之间保持一致？
• RQ4 不同初始条件（如暴胀前或暴胀后轴子产生）如何影响可行参数空间？
• RQ5 未来直接探测实验（如DAMIC-M和轴子谐振腔）能否探测到暗轴子通道预测的参数空间？

主要发现

• 该模型支持可行的暗物质丰度，其中暗光子组分占次要部分（$\lesssim 10\%$），轴子组分占主导。
• 质量范围为 $m_{\gamma'} \sim 20-200\ \text{eV}$ 的暗光子和 $m_a \sim 30-400\ \mu\text{eV}$ 的轴子可通过冻结产生机制一致产生，并满足遗迹密度约束。
• 与可见光子的动能混合不会损害任一粒子的稳定性或遗迹丰度，从而实现对暗光子的直接探测。
• 当暗光子丰度为 $f_{\gamma'} = 1\%$ 时，DAMIC-M 的可探测参数空间显著扩大，使 $(m_{\gamma'}, \epsilon)$ 参数空间的新区域得以探索。
• 该模型通过产生机制与暗物质丰度的相互作用，为暴胀和再加热尺度提供了宇宙学探测手段。
• 同时探测轴子与暗光子将为标准模型之外的早期宇宙物理提供间接证据。