[论文解读] Evidence of A Simple Dark Sector from XENON1T Anomaly

Cheng-Wei Chiang, B. Lu|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出，银河系中keV量级的暗费米子湮灭会产生无质量的暗光子，从而解释XENON1T实验中观测到的电子反冲过剩。这一最小U(1)X规范模型成功解释了该异常现象，同时与恒星冷却约束一致，并通过冻结生成和冻结出机制解释了观测到的暗物质丰度。

ABSTRACT

We propose that the massless dark photons produced from the annihilation of keV dark fermions in the Galaxy can induce the excess of electron recoil events recently observed in the XENON1T experiment. The minimal model for this is the extension of a $U(1)_{X}$ gauge symmetry, under which the massless dark photon couples to both dark and visible matter currents. We find that the best-fit parameters of the dark sector are compatible with the most stringent constraints from stellar cooling. The dark fermion relic density in both freeze-in and freeze-out scenarios has been calculated and found to be able to account for the observed dark matter abundance.

研究动机与目标

• 使用简单的暗物质 sector模型解释XENON1T实验中未解的电子反冲过剩现象。
• 构建一个最小的U(1)X规范理论，使暗光子介导暗物质与可见物质之间的相互作用。
• 确保该模型与天体物理约束（尤其是恒星冷却）相容。
• 证明该模型中暗费米子的遗迹密度可自然解释观测到的暗物质丰度。

提出的方法

• 假设一种U(1)X规范对称性，其中无质量的暗光子同时耦合至暗费米子和可见物质的当前。
• 通过建模银河晕中keV量级暗费米子的湮灭过程，模拟暗光子的产生。
• 利用暗光子与电子之间的有效耦合，计算XENON1T中产生的电子反冲速率。
• 通过评估恒星衰变为暗光子的隐形宽度，评估恒星冷却带来的约束。
• 使用冻结生成和冻结出机制计算暗费米子的遗迹密度，以匹配观测到的暗物质密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 XENON1T实验中观测到的电子反冲过剩是否可由暗物质湮灭产生的暗光子解释？
• RQ2 所提出的U(1)X暗物质sector模型是否与现有天体物理约束（尤其是恒星冷却）相容？
• RQ3 该模型中暗费米子的遗迹密度是否能重现观测到的暗物质丰度？
• RQ4 该模型在冻结生成和冻结出两种产生机制下是否均保持可行性？

主要发现

• keV量级暗费米子湮灭产生的暗光子可使用一致的耦合强度重现XENON1T中观测到的电子反冲过剩。
• 该模型满足最严格的恒星冷却约束，表明恒星未因能量损失而显著冷却。
• 在冻结出情景下，暗费米子的遗迹密度在模型参数空间内与观测到的暗物质丰度一致。
• 冻结生成机制同样产生与观测暗物质密度一致的遗迹密度，表明该模型在不同产生机制下均具有鲁棒性。