[论文解读] Gauged lepton number and cosmic-ray boosted dark matter for the XENON1T excess

Yongsoo Jho, Jong-Chul Park+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

本文提出了两种解释XENON1T过剩现象的场景：(1) 一个$U(1)_{L_e-L_i}$规范玻色子增强了太阳中微子-电子散射，从而增加了电子反冲；(2) 宇宙射线电子通过相同的规范相互作用将暗物质加速至keV量级能量，产生可探测的电子反冲。该模型预测，暗物质可使中子星加热至超过1500 K，未来红外望远镜可对此进行检验。

ABSTRACT

The recently reported excess in XENON1T is explained by two scenarios with and without a dark matter interaction with the gauged lepton number, $U(1)_{L_e-L_i}$, $i=\mu$ or $ au$. In Scenario#1, the gauge boson provides non-standard interaction between solar neutrino and electron that enhances the number of electron recoil events in the XENON1T detector. In Scenario#2 with the gauge coupling to dark matter, dark matter can be boosted by cosmic electrons and generate electron recoil energy up to $\mathcal{O}({ m keV})$ to explain the XENON1T result. The dark matter, aided by the new gauge interaction, could heat up a neutron star more than 1500 K as a neutron star captures the halo dark matter. Therefore, we propose to utilize the future infrared telescope to test our scenario.

研究动机与目标

• 解释XENON1T低能电子反冲过剩现象的未解之谜。
• 探讨规范轻子数对称性$U(1)_{L_e-L_i}$是否可解释该过剩现象。
• 研究由$U(1)_{L_e-L_i}$规范玻色子介导的暗物质相互作用，这些作用可能在直接探测中产生可观测信号。
• 评估此类暗物质的天体物理影响，特别是其对中子星的加热效应。

提出的方法

• 引入一个$U(1)_{L_e-L_i}$规范对称性，包含一种新的规范玻色子，其与电子和暗物质耦合。
• 通过规范玻色子建模太阳中微子与电子之间的非标准相互作用，增强电子反冲速率。
• 引入暗物质与规范玻色子的耦合，使宇宙射线电子可通过该规范相互作用将暗物质加速至keV量级的动能。
• 计算XENON1T中产生的电子反冲能谱，与观测到的过剩现象相匹配。
• 估算由于暗物质捕获及规范相互作用的能量沉积，中子星所受的加热效应。
• 提出通过未来红外望远镜观测中子星温度以检验该场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 XENON1T过剩现象是否可通过$U(1)_{L_e-L_i}$规范玻色子增强中微子-电子散射来解释？
• RQ2 宇宙射线电子是否可通过相同的规范相互作用将暗物质加速至keV量级能量，从而产生可探测的电子反冲？
• RQ3 由于通过$U(1)_{L_e-L_i}$相互作用捕获暗物质并沉积能量，中子星的温度将升高多少？
• RQ4 在该场景中，$U(1)_{L_e-L_i}$规范玻色子如何介导暗物质与标准模型粒子之间的相互作用？
• RQ5 未来红外望远镜能否探测到预测的中子星加热现象，从而为该模型提供间接证据？

主要发现

• XENON1T过剩现象可通过$U(1)_{L_e-L_i}$规范玻色子增强太阳中微子-电子散射来解释，从而产生额外的电子反冲。
• 另一种解释涉及宇宙射线电子通过规范相互作用将暗物质加速至keV量级能量，从而生成观测到的反冲能谱。
• 该模型预测，由于规范相互作用的能量沉积，暗物质捕获可使中子星温度升高超过1500 K。
• 该加热效应提供了一种独特的天体物理信号，未来红外望远镜可对其进行检验。
• $U(1)_{L_e-L_i}$规范对称性为统一解释XENON1T过剩现象、暗物质相互作用以及中子星现象提供了一个一致的框架。