[论文解读] GeV Scale Inelastic Dark Matter with Dark Photon Mediator via Direct Detection and Cosmological/Laboratory Constraints

Hong-Jian He, Yu-Chen Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出一个GeV尺度的非弹性暗物质模型，采用暗光子作为媒介，实现一种与右手中微子耦合的$U(1)_X$规范对称性，并通过标量 seesaw 机制自然生成keV量级的质量劈裂。该模型以$m_X \lesssim 1.5$ GeV解释了XENON1T中的电子反冲异常，同时与核反冲数据及宇宙学/实验室约束一致，为未来对GeV尺度非弹性暗物质的探测提供了一个可预测且可检验的基准。

ABSTRACT

We propose a new candidate of GeV scale inelastic dark matter (DM). Our construction has an anomaly-free $U(1)_X^{}$ gauge group with dark photon mediator, and can realize either scalar or fermionic inelastic DM. It is highly predictive and testable. We study the scattering rate of light inelastic DM with electrons in the XENON1T experiment and with nuclei in the XENON1T, CRESST-III, CDEX-1B and DarkSide-50 experiments. We resolve the recent XENON1T anomaly via electron recoil detection. Combining the XENON1T constraints from both electron recoils and nuclear recoils (including Migdal effect), we predict the inelastic DM mass $\lesssim 1.5$GeV. We further analyze the bounds by the DM relic abundance, the lifetime of the heavier DM component, and laboratory constraints, from which we identify the viable parameter space for the future probe. This provides an important benchmark for the theories and experimental tests of GeV scale inelastic DM.

研究动机与目标

• 通过与电子的非弹性暗物质散射，解释XENON1T在2–3.5 keV能区的电子反冲异常。
• 构建一个可重整化、无异常的$U(1)_X$模型，采用暗光子作为媒介，自然生成暗物质组分之间的keV量级质量劈裂。
• 利用XENON1T、CRESST-III、CDEX-1B和DarkSide-50的直接探测数据，对电子和核反冲信号进行检验，评估模型的可行性。
• 推导较重暗物质组分$X'$的寿命和遗迹丰度的宇宙学约束，并评估电弱精确测试和对撞机搜索对实验室边界的限制。
• 为未来对GeV尺度非弹性暗物质的实验探测，识别出一个可预测且可检验的参数空间。

提出的方法

• 引入一种$U(1)_X$规范对称性，耦合至右手中微子第一代费米子，由暗光子$A'_\mu$介导相互作用。
• 通过标量 seesaw 机制，生成$O(\text{keV})$量级的小质量劈裂$\Delta m_X \approx 2-3.5$ keV，介于暗物质组分$X$和$X'$之间。
• 在零动量极限下，计算DM-电子散射截面$\bar{\sigma}_e/m_X \approx 5.7 \times 10^{-44}\,\text{cm}^2/\text{GeV}$，以匹配XENON1T异常结果。
• 利用电子反冲谱和核反冲数据评估直接探测信号，包括通过附录A中改进的处理方式考虑Migdal效应贡献。
• 通过热退耦合和相空间抑制机制，计算DM遗迹丰度和$X'$寿命，确保宇宙学稳定性。
• 应用电弱精确测试和对撞机搜索对$A'$规范玻色子的约束，特别是利用XENON1T数据对$m_{A'}/g_X$的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个采用暗光子媒介的GeV尺度非弹性暗物质模型，能否解释XENON1T在2–3.5 keV能区的电子反冲过剩？
• RQ2 在XENON1T、CRESST-III、CDEX-1B和DarkSide-50的电子和核反冲数据约束下，暗物质质量的最大允许值是多少？
• RQ3 标量 seesaw 机制如何在无需微调的情况下生成keV量级的质量劈裂？
• RQ4 该模型中$X'$的寿命和遗迹丰度受到哪些宇宙学约束？
• RQ5 电弱精确测试和对撞机搜索对暗光子的可行参数空间边界有何限制？

主要发现

• 该模型以暗物质质量$m_X \lesssim 1.5$ GeV成功解释了XENON1T的电子反冲异常，与$E_R \approx 2-3.5$ keV处观测到的峰值一致。
• 为匹配异常，所需的DM-电子散射截面为$\bar{\sigma}_e/m_X \approx 5.7 \times 10^{-44}\,\text{cm}^2/\text{GeV}$（零动量极限下）。
• 该模型与XENON1T、CRESST-III、CDEX-1B和DarkSide-50的核反冲数据一致，包括Migdal效应贡献。
• $X'$组分因衰变至$X$的相空间抑制而具有宇宙学稳定性，其寿命超过宇宙年龄。
• 当暗光子质量满足$m_{A'} < 2m_X$时，该模型可实现观测到的DM遗迹丰度，且满足电弱精确测试和对撞机约束。
• Higgs场受到介子混合的约束，要求$M_{h_1} \gtrsim 6$ TeV且$v_1 \lesssim 3.6$ GeV以保证自然耦合，并预测在LHC Run-3和HL-LHC中产生$h_2 \to \mu^\pm e^\mp$过程。