[论文解读] Detecting Dipolar Dark Matter in Beam Dump Experiments

Subhendra Mohanty, Soumya Rao|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了费米实验室E613束流散射实验中具有电偶极矩或磁偶极矩的偶极子暗物质（DM）。利用蒙特卡洛模拟与深度不变散射（DIS）形式化方法，推导出1–10 GeV质量范围内DM的约束，结果表明磁偶极矩受限于$<3.3\times10^{-8}\mu_B$，电偶极矩受限于$<1.8\times10^{-17}$ e-cm，且该结果与束流散射、LEP及太阳声学观测数据一致。

ABSTRACT

We study interaction of low mass dark matter within beam dump experiments. In particular we study the dipolar dark matter model which assumes that the dark matter couples to Standard Model particles via its electric or magnetic dipole moment. We analyse the constraints on this model in the context of a particular beam dump experiment E613 conducted in the Fermilab. We find that dark matter mass in the range of $1-10$ GeV with a magnetic dipole moment between $(0.33-1.5) imes 10^{-7}μ_B$ and a electric dipole moment between $(0.5-3) imes 10^{-17}$ e-cm. We compare the bounds from other experimental data, such as helioseismological data and direct detection experiments.

研究动机与目标

• 评估低质量偶极子暗物质（DM）在束流散射实验中可行性。
• 利用费米实验室E613实验的数据，推导1–10 GeV质量范围内DM的磁偶极矩与电偶极矩的约束。
• 将这些约束与LEP（L3）、太阳声学观测以及LUX等直接探测实验的现有结果进行比较。
• 评估偶极子DM模型与多信使实验数据的相容性，包括固定靶实验、对撞机实验及天体物理观测。

提出的方法

• 通过费曼规则与MADGRAPH 5，基于式（1）中的有效拉格朗日量，计算400 GeV质子束与钨靶中夸克的t通道湮灭过程，获得偶极子DM的产生截面。
• 通过式（2）计算产生的DM粒子数量，积分范围为散射角$\theta < 0.0134$弧度，以匹配探测器接受度。
• 利用深度不变散射（DIS）形式化方法，对探测器中铅核与DM的散射过程进行建模，微分截面由式（3）推导，并进一步以Hirai等人提供的核部分子分布函数表达。
• 在Eqs.（10）–（11）给出的动力学限制下，对$\nu$与$Q^2$积分散射截面，并通过式（12）计算平均自由程$\lambda$。
• 通过公式$P = 1 - e^{-L/\lambda}$计算DM在铅探测器与铁屏蔽层中的散射概率，当$P \sim L/\lambda$时采用近似处理。
• 通过式（13）计算预期事例数，积分能量并考虑屏蔽与探测器效率，当$N_{\text{ev}} < 180$时施加约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 从E613束流散射实验中，1–10 GeV质量范围内的暗物质电偶极矩与磁偶极矩受到何种约束？
• RQ2 E613对偶极子DM的约束与LEP（L3）、太阳声学观测及LUX等直接探测实验的约束相比如何？
• RQ3 偶极子DM模型在多信使实验数据（包括固定靶、对撞机与天体物理观测）下具有多大程度的相容性？
• RQ4 偶极相互作用的动量与速度依赖性如何影响束流散射实验中低质量DM的可探测性？

主要发现

• 对于具有磁偶极矩的暗物质，E613实验在1–8 GeV质量范围内约束$\mu < 3.3\times10^{-8}\mu_B$，该约束主要由L3数据主导。
• 对于电偶极矩，约束为$\mathcal{D} < 1.8\times10^{-17}$ e-cm，适用于1–3 GeV质量范围的DM，与L3及太阳声学观测结果一致。
• E613在1–10 GeV质量区间内提供的约束最为严格，且与太阳物理数据（尤其是太阳声学观测）广泛一致，后者同样将$\mu < 1.6\times10^{-17}$ e-cm限制在$m_\chi < 4.3$ GeV范围内。
• LUX直接探测实验在1–10 GeV范围内提供的约束较弱，因此对本研究关注的参数空间无显著影响。
• 偶极子DM模型在多种实验探测手段下仍具可行性，E613实验在低质量区域提供了强有力的约束。
• 该模型的动量与速度依赖性特征与偶极相互作用一致，且与太阳物理研究中建议的约3 GeV质量范围的有利DM质量相吻合。