[论文解读] Maximizing Direct Detection with Highly Interactive Particle Relic Dark Matter

Gilly Elor, Robert McGehee+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出HYPERs——高互动性粒子遗迹暗物质——其中暗区相变在冻结后降低媒介子质量，从而增强直接探测截面，同时不违反宇宙学约束。该模型使亚GeV暗物质的理论最大DM-核子截面达到约10⁻³⁶–10⁻³⁰ cm²，使其在未来直接探测实验中可被检验。

ABSTRACT

We estimate the maximum direct detection cross section for sub-GeV dark matter (DM) scattering off nucleons. For DM masses in the range $10 ext{ keV }- 100 ext{ MeV}$, cross sections greater than $10^{-36}$- $10^{-30} \, ext{cm}^2$ seem implausible. We present a DM candidate which realizes this maximum cross section: HighlY interactive ParticlE Relics (HYPERs). After HYPERs freeze-in, a dark sector phase transition decreases the mediator's mass. This increases the HYPER's direct detection cross section without impacting its abundance or measurements of Big Bang Nucleosynthesis and the Cosmic Microwave Background.

研究动机与目标

• 确定亚GeV暗物质与核子散射的理论最大直接探测截面，且独立于宇宙学历史。
• 构建一个实现该最大截面的暗物质模型，同时与大爆炸核合成和宇宙微波背景约束保持一致。
• 探索是否可在不触发早期宇宙热化或过量产生的约束下，实现大的直接探测信号。
• 识别通过动态演化媒介子质量增强相互作用的强子亲和型暗物质模型的可行参数空间。

提出的方法

• 利用标量媒介子模型估算最大直接探测截面σ_max_χn，该模型中媒介子与暗物质(χ)和核子(n)耦合，受当前天体物理和实验约束。
• 引入HYPER机制：暗区相变使媒介子质量m_φ从初始高值m_φ^i降低至当前低值m_φ，通过因子(m_φ^i / m_φ)^4增强截面。
• 采用紫外完备模型，通过重矢量样夸克耦合至胶子，以最大化核子耦合y_n，同时最小化稀有K介子衰变的约束。
• 确保相变发生在暗物质冻结之后，且温度T_PT ~ 1 MeV，避免产生过多相对论自由度并保持N_eff约束一致。
• 构建一个具有平坦方向的标量势，使高温下真空期望值较大，低温下较小，从而实现质量下降。
• 验证该模型通过确保媒介子仅在今日为轻子且早期宇宙中未被热激发，避免来自水平分支恒星、超新星1987A和BBN的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验和天体物理约束下，亚GeV暗物质与核子散射的直接探测截面最大可能值是多少？
• RQ2 是否存在一种暗物质模型，可在与大爆炸核合成和宇宙微波背景等宇宙学观测一致的前提下，实现该最大截面？
• RQ3 如何在不触发早期宇宙中媒介子过量产生或热化的情况下，生成大的直接探测截面？
• RQ4 在实现晚期相变以降低媒介子质量而不引入微调或宇宙学矛盾的前提下，模型构建面临哪些挑战？
• RQ5 暗区相变是否可使大截面成为可能，同时与恒星冷却和稀有介子衰变的约束兼容？

主要发现

• 对于10 keV至100 MeV之间的暗物质质量，亚GeV暗物质的最大直接探测截面估计为σ_max_χn ≈ 10⁻³⁶–10⁻³⁰ cm²。
• HYPER机制通过因子(m_φ^i / m_φ)^4实现截面增强，当初始媒介子质量m_φ^i ≈ 100 T_R且最终质量m_φ ≈ 1 MeV时，模型可达到σ_max_χn。
• 当相变发生在T_PT ≈ 1 MeV时，对于质量在14 MeV < m_χ < m_π⁰范围内的暗物质，HYPER模型可实现σ_χn ≈ σ_max_χn。
• 通过确保媒介子在相变前未被热激发，该模型避免了相对论自由度的过量产生，并保持N_eff与观测一致。
• 相变要求高度微调的标量势，具有平坦方向及高温至低温的真空期望值大幅跃迁，构成重大模型构建挑战。
• 若相变发生在T_PT < m_χ的晚期，可动力学抑制危险过程，使HYPER参数空间的上边界更接近σ_max_χn。