[论文解读] Low energy binding of composite dark matter with nuclei as a solution for the puzzles of dark matter searches

Maxim Khlopov, A. G. Mayorov+1 more|ArXiv.org|Nov 30, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 22被引用 3

一句话总结

本文提出，复合暗物质O-氦（OHe）——一种双电荷粒子与氦的束缚态——可解释DAMA/NaI和DAMA/LIBRA实验中观测到的年调制信号。通过求解OHe与钠和碘核之间通过Yukawa型核势和库仑排斥作用的薛定谔方程，作者表明在合理的核参数下，2–6 keV范围内的结合能是可能的，从而产生与DAMA观测到的调制信号相符的电离信号，同时由于能量抑制和偶极子库仑势垒，抑制了其他探测器（如CDMS）中的信号。

ABSTRACT

Positive results of dark matter searches in experiments DAMA/NaI and DAMA/LIBRA taken together with negative results of other groups can imply nontrivial particle physics solutions for cosmological dark matter. Stable particles with charge -2 bind with primordial helium in O-helium "atoms" (OHe), representing a specific Warmer than Cold nuclear-interacting form of dark matter. Slowed down in the terrestrial matter, OHe is elusive for direct methods of underground Dark matter detection like those used in CDMS experiment, but its low energy binding with nuclei can lead to annual variations of energy release in the interval of energy 2-6 keV in DAMA/NaI and DAMA/LIBRA experiments. Schrodinger equation for system of nucleus and OHe is solved for a spherically symmetrical potential, formed by the Yukawa tail of nuclear scalar isoscalar attraction potential, acting on He beyond the nucleus, and dipole Coulomb repulsion between the nucleus and OHe at distances from the nuclear surface, smaller than the size of OHe. The values of coupling strength and mass of meson, mediating scalar isoscalar, are rather uncertain. Within the uncertainties of parameters of nuclear potential we find a range of these parameters, at which the sodium and/or iodine nuclei have a few keV binding energy with OHe. At nuclear parameters, reproducing DAMA results, the energy release predicted for detectors with chemical content other than NaI differ in the most cases from the one in DAMA detector. In particular, it is shown that in the case of CDMS germanium state has binding energy with OHe beyond the range of 2-6 keV and its formation should not lead to ionization in the energy range of DAMA signal. (abridged)

研究动机与目标

• 解决DAMA/NaI和DAMA/LIBRA实验的阳性结果与其他直接探测实验的阴性结果之间长期存在的矛盾。
• 探讨复合暗物质（特别是O-氦，OHe）是否能解释2–6 keV能量范围内观测到的年调制现象。
• 研究OHe与钠和碘核形成低能束缚态的条件，与DAMA信号一致。
• 预测钠和碘的异常超重同位素的存在，这可作为OHe情景的可检验特征。
• 评估OHe作为非热、核相互作用暗物质候选者的可行性，避免过度产生异常的氢/氦同位素。

提出的方法

• 将OHe-核系统建模为具有Yukawa型核标量相互作用尾部和短距离偶极子库仑排斥的球对称势。
• 将薛定谔方程简化为相对运动的径向形式，并在四个区域求解：OHe内部、核势阱内、中间区域和外部经典禁阻区域。
• 采用矩形势阱近似简化核势，以探索参数空间。
• 在区域界面处对波函数对数导数施加边界条件，以确定束缚态能量。
• 通过求解由连续性条件导出的超越方程组，计算OHe与钠和碘核的结合能。
• 评估由于偶极子库仑势垒导致向高能态跃迁的抑制，从而解释其他能量范围内无信号的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 O-氦（OHe）是否能在2–6 keV的结合能下与钠和碘核形成束缚态，与DAMA信号一致？
• RQ2 如果OHe与核结合，为何其他直接探测实验（如CDMS）未观测到信号？
• RQ3 偶极子库仑势垒如何抑制向高能态的跃迁，从而解释高能电离信号的缺失？
• RQ4 在OHe情景下，钠和碘的异常超重同位素丰度有何影响？
• RQ5 地球运动调制OHe通量，导致捕获率随时间变化，是否能解释DAMA信号中的年调制？

主要发现

• 在核参数不确定性和矩形势阱近似下，OHe可在2–6 keV范围内与钠和/或碘核形成束缚态，与DAMA信号窗口匹配。
• 偶极子库仑势垒强烈抑制向高能态的跃迁，解释了为何在DAMA中2–6 keV范围外未观测到显著电离信号。
• 在使用锗的CDMS等探测器中，OHe与核的结合能位于2–6 keV范围之外，其形成不会导致该能量窗口内的电离。
• 该模型预测将形成钠和碘的异常超重同位素，质量增加约等于OHe的质量，可通过质谱法检测。
• 地下探测器中OHe浓度的弛豫时间约为几分钟，使得入射通量的年调制能迅速反映在捕获率中。
• 所提出的机制在保持与其他实验阴性结果一致的同时，为DAMA信号提供了自洽的解释，原因在于能量抑制和探测器特异性核响应。