[论文解读] On the relation between Migdal effect and dark matter-electron scattering in atoms and semiconductors

Rouven Essig, Josef Pradler+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文建立了暗物质-电子散射与Migdal效应（暗物质-核子散射并伴随电子发射）之间的理论映射，实现了对稀有气体液体和半导体中电离率的交叉估算。该研究首次基于晶体形因素估算半导体中的电离率，并利用XENON和SENSEI数据将暗物质质量下限推进至500 keV，表明对于暗光子媒介的暗物质，在100 MeV以下时电子散射占主导地位。

ABSTRACT

A key strategy for the direct detection of sub-GeV dark matter is to search for small ionization signals. These can arise from dark matter-electron scattering or when the dark matter-nucleus scattering process is accompanied by a electron. We show that the theoretical descriptions of both processes are closely related, which allows for a principal mapping between dark matter-electron and dark matter-nucleus scattering rates once the dark matter interactions with matter are specified. We explore this parametric relationship for noble-liquid targets and, for the first time, provide an estimate of the ionization rate in semiconductors that is based on evaluating a crystal form factor that accounts for the semiconductor band structure. We also present new dark-matter-nucleus scattering limits down to dark matter masses of 500 keV using published data from XENON10, XENON100, and a SENSEI prototype Skipper-CCD. For a dark photon mediator, the dark matter-electron scattering rates dominate over the Migdal rates for dark matter masses below 100 MeV. We also provide projections for proposed experiments with xenon and silicon targets.

研究动机与目标

• 建立一个理论框架，将暗物质-电子散射与Migdal效应关联，用于亚GeV能区暗物质探测。
• 利用考虑能带结构的晶体形因素，估算半导体中的电离率。
• 基于已发布的XENON10、XENON100和SENSEI Skipper-CCD数据，推导出暗物质-核子散射截面在500 keV以下的新限制。
• 在统一的理论框架下，预测基于氙和硅的实验未来的探测灵敏度。

提出的方法

• 基于指定的暗物质-物质相互作用，推导暗物质-电子散射与Migdal效应速率之间的参数化关系。
• 将该形式化方法应用于稀有气体液体靶，估算暗物质-核子散射中由电子发射引起的电离率。
• 首次提出基于半导体能带结构推导出的晶体形因素，用于计算半导体中的电离率。
• 利用XENON10、XENON100和SENSEI原型Skipper-CCD的公开实验数据，对暗物质-核子散射截面施加约束。
• 在相同的理论框架下，预测基于氙和硅靶的未来实验的探测灵敏度。
• 分析在100 MeV以下时，电子散射相对于Migdal效应在暗光子媒介相互作用下的主导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚GeV能区暗物质探测的背景下，暗物质-电子散射与Migdal效应的理论描述之间有何关联？
• RQ2 在考虑晶体能带结构的前提下，暗物质-核子散射在半导体中引起的电离率是多少？
• RQ3 利用现有的XENON和SENSEI数据，能否对质量低至500 keV的暗物质-核子散射设定新极限？
• RQ4 在何种条件下，对于暗光子媒介的暗物质，电子散射会主导于Migdal效应？
• RQ5 在统一的理论框架下，基于氙和硅的实验未来灵敏度如何比较？

主要发现

• 建立了暗物质-电子散射与Migdal效应之间的核心映射关系，使不同靶材料间的速率估算成为可能。
• 首次基于晶体形因素推导出半导体中的电离率估算，整合了能带结构效应。
• 利用XENON10、XENON100和SENSEI Skipper-CCD原型的实验数据，将暗物质-核子散射限制推进至500 keV。
• 对于暗光子媒介，当暗物质质量低于100 MeV时，电子散射速率超过Migdal效应速率。
• 该理论框架可实现对未来的氙和硅基实验探测灵敏度的一致性预测。