[论文解读] Kinetic Heating from Contact Interactions with Relativistic Targets: Electrons Capture Dark Matter in Neutron Stars

A. Joglekar, Nirmal Raj+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 65被引用 8

一句话总结

本文提出了一套相对论性量子场论框架，用于计算暗物质通过与极端相对论电子散射在中子星中被捕获的过程，同时考虑了费米简并和洛伦兹不变性。研究结果表明，此类捕获引发的动能加热，相较于地面直接探测，能为暗物质-轻子相互作用提供更广的发现潜力，尤其针对通过六维接触相互作用的自旋-0和自旋-1/2暗物质。

ABSTRACT

Dark matter can capture in neutron stars from scattering off ultra-relativistic electrons. We present a method to calculate the capture rate on degenerate targets with ultra-relativistic momenta in a compact astronomical object. Our treatment accounts for the target momentum and the Fermi degeneracy of the system. We derive scaling relations for scattering with relativistic targets and confirm consistency with the non-relativistic limit and Lorentz invariance. The potential observation of kinetic heating of neutron stars has a larger discovery reach for dark matter--lepton interactions than conventional terrestrial direct detection experiments. We map this reach onto a set of bosonic and fermionic effective contact interactions between dark matter and leptons as well as nucleons. This completes the study of spin-0 and spin-1/2 dark matter kinetic heating of neutron stars through contact operators with Standard Model fermions up to dimension-6. Our method is generalizable to dark matter scattering in any degenerate medium where the Pauli exclusion principle leads to relativistic targets with a constrained phase space for scattering.

研究动机与目标

• 在简并介质中，通过与极端相对论电子散射，建立中子星中暗物质捕获的理论模型。
• 在散射过程中，考虑费米简并和相对论性靶粒子动量的影响。
• 通过利用中子星中的动能加热，将暗物质探测的覆盖范围扩展至地面直接探测之外。
• 通过与轻子和核子的接触相互作用，系统性地绘制玻色子与费米子暗物质模型的发现潜力。
• 将该方法推广至任何受泡利不相容原理限制散射相空间的简并介质中。

提出的方法

• 为暗物质与简并费米气体中极端相对论电子的散射过程，构建相对论性散射振幅。
• 应用相对论性量子场论技术，计算捕获率，同时保持洛伦兹不变性。
• 引入泡利不相容原理，以限制简并靶粒子中散射的末态相空间。
• 推导出在相对论极限下散射截面的标度关系，并确认其与非相对论极限的一致性。
• 利用有效场论，对暗物质与标准模型费米子（轻子和核子）之间的六维接触相互作用进行建模。
• 将所得的动能加热信号映射为不同自旋和统计性质的暗物质的可观测约束与发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星中极端相对论电子的动量如何影响暗物质粒子的捕获率？
• RQ2 费米简并对中子星中暗物质散射的相空间和截面有何影响？
• RQ3 与地面直接探测相比，中子星中暗物质捕获引发的动能加热在探测暗物质-轻子相互作用方面，其发现潜力如何？
• RQ4 通过与轻子和核子的接触相互作用，自旋-0和自旋-1/2暗物质模型受到哪些约束与敏感度限制？
• RQ5 该方法是否可推广至泡利阻塞限制散射的其他简并介质？

主要发现

• 由于相空间约束和相对论性运动学，当暗物质与极端相对论电子散射时，其在中子星中的捕获率显著增强。
• 该模型在非相对论极限和洛伦兹不变性方面均保持一致，验证了其相对论性处理的正确性。
• 暗物质捕获引发的动能加热，为暗物质-轻子相互作用提供了比传统地面直接探测实验更广的发现潜力。
• 该方法可完整覆盖通过六维接触相互作用与轻子和核子耦合的自旋-0和自旋-1/2暗物质模型。
• 该框架可推广至任何受泡利不相容原理限制散射相空间的简并介质。
• 本研究建立了可观测中子星加热与暗物质相互作用有效场论参数之间的定量关联。