[论文解读] Dark Matter Macroscopic Pearls, 3.55 keV X-ray line, How big ?

H. B. Nielsen, C.D. Froggatt|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用 6

一句话总结

本文提出暗物质由宏观的、原子大小的‘珍珠’组成——这些是质量约为10⁴ GeV（10⁻²³ kg）、半径约1.5×10⁻¹² m的微小致密天体，其内部电子系统具有3.55 keV的同能级间隙。X射线发射源于珍珠碰撞时电子-空穴激发态的衰变，成功拟合了银河系和星系团中观测到的3.55 keV谱线，同时通过强非WIMP相互作用解释了DAMA-LIBRA和Xenon1T的电子反冲过剩现象。

ABSTRACT

We study the 3.55 keV X-ray suspected to arise from dark matter in our model of dark matter consisting of a bubble of a new phase of the vacuum, the surface tension of which keeps ordinary matter under high pressure inside the bubble. We consider two versions of the model: Old large pearls model : We worked for a long time on a pearl picture with pearl / bubbles of cm-size adjusted so that the impacts of them on earth could be identified with events of the mysterious type that happened in Tunguska in 1908. We fit both the very frequency, the 3.55 keV, and the overall intensity of the X-ray line coming from the center of the Milky Way and from galaxy clusters with one parameter in the model in which this radiation comes from collisions of pearls. New small pearl model: Our latest idea is to let the pearls be smaller than atoms but bigger than nuclei so as to manage to fit the 3.5 keV X-rays coming from the Tycho supernova remnant in which Jeltema and Profumo observed this line. Further we also crudely fit the DAMA-LIBRA observation with the small pearls, and even see a possibility for including the electron-recoil-excess seen by the Xenon1T experiment as being due to de-excitation via electron emission of our pearls. The important point of even our small size pearl model is that the cross section of our "macroscopic" pearls is so large that the pearls interact several times in the shielding but, due to their much larger mass than the typical nuclei, are {\bf not stopped by only a few interactions}. Nevertheless only a minute fraction of the relatively strongly interacting pearls reach the 1400 m down to the DAMA experiment, but due to the higher cross section we can fit the data anyway.

研究动机与目标

• 将银河系和星系团中观测到的3.55 keV X射线谱线解释为源自暗物质，而非惰性中微子。
• 通过单一暗物质模型，统一解释观测到的X射线谱线、DAMA-LIBRA的年度调制信号以及Xenon1T的电子反冲过剩现象。
• 构建一种宏观暗物质模型，其中珍珠的尺寸小于原子但大于原子核，具有强相互作用，同时可通过稀少碰撞被探测到。
• 表明3.55 keV谱线能量并非偶然，而是由于同能级间隙与光子能量恰好匹配的物理巧合所致。

提出的方法

• 将暗物质建模为具有真空相界（畴壁）的宏观致密珍珠，该界面对普通物质施加高压。
• 假设压缩物质内部的电子系统形成约3.55 keV的同能级间隙，从而产生束缚激子，其衰变可发射3.55 keV光子。
• 计算两颗此类珍珠碰撞时的X射线发射速率，假设主要产生机制为激子形成与衰变。
• 通过单一参数——畴壁张力S^{1/3}——拟合观测到的X射线谱线强度与能量，其中S^{1/3} ≈ 2 MeV时，珍珠质量约为10⁴ GeV。
• 利用截面与质量之比（σ/M）匹配DAMA-LIBRA和Tycho超新星遗迹的数据，假设珍珠具有强相互作用但不会因多次碰撞而被阻止。
• 从电子云开始从表面逸出的条件推导出珍珠半径R ≈ 1.5×10⁻¹² m，以最大化3.55 keV谱线的锐度。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系和星系团中观测到的3.55 keV X射线谱线能否由具有内部激子的宏观暗物质模型解释？
• RQ2 DAMA-LIBRA的年度调制信号是否与发射3.55 keV X射线的同一类暗物质珍珠一致？
• RQ3 Xenon1T的电子反冲过剩能否通过这些珍珠的电子发射导致去激发来解释？
• RQ4 为何3.55 keV谱线如此锐利？这是否源于模型中的物理巧合？
• RQ5 为使珍珠同时拟合X射线、DAMA和Xenon1T数据，所需的物理参数（张力、质量、尺寸）是什么？

主要发现

• 该模型仅用一个参数——S^{1/3} ≈ 2 MeV的畴壁张力——即可成功拟合银河系和星系团中观测到的3.55 keV X射线谱线的强度与能量。
• 珍珠质量被约束在M ≈ 10⁴ GeV（10⁻²³ kg）左右，半径R ≈ 1.5×10⁻¹² m，符合其小于原子但大于原子核的尺寸特征。
• 内部电子系统中的同能级间隙自然调制为3.55 keV，通过物理巧合解释了X射线谱线的锐利特性。
• 小珍珠的截面与质量之比（σ/M）同时匹配DAMA-LIBRA数据和Tycho超新星遗迹观测，表明其具有强但非完全不透明的相互作用。
• 该模型将Xenon1T的电子反冲过剩解释为珍珠通过电子发射发生去激发所致，与其中高质质量及强截面相互作用一致。
• S^{1/3} ≈ 2 MeV的低值远低于希格斯能标，暗示新物理可能出现在QCD能标或以下，可能与低重子密度下的色味锁链夸克物质有关。