[论文解读] Pico-charged particles explaining 511 keV line and XENON1T signal

Yasaman Farzan, Meshkat Rajaee|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

该论文提出，来自MeV量级暗物质衰变的pico电荷粒子（C和C̄）可同时解释银河系中心的511 keV伽马射线谱线以及XENON1T实验中观测到的电子反冲过剩。这些粒子电荷约为10⁻¹¹ e，被银河系磁场捕获，通过湮灭产生e⁺e⁻对，进而形成正电子素并发射511 keV谱线；同时在探测器中与电子散射，产生观测到的keV量级反冲过剩。XENON1T数据给出了迄今为止最严格的约束，要求暗物质寿命超过宇宙年龄的10⁶倍。

ABSTRACT

There is a robust signal for a 511 keV photon line from the galactic center which may originate from dark matter particles with masses of a few MeV. To avoid the bounds from delayed recombination and from the absence of the line from dwarf galaxies, in 2017, we have proposed a model in which dark matter first decays into a pair of intermediate pico-charged particles $C\bar{C}$ with a lifetime much larger than the age of the universe. The galactic magnetic field accumulates the relativistic $C\bar{C}$ that eventually annihilate, producing the $e^-e^+$ pair that give rise to the 511 keV line. The relativistic pico-charged $C$ particles can scatter on the electrons inside the direct dark matter search detectors imparting a recoil energy of $E_r \sim$~keV. We show that this model can account for the electron recoil excess recently reported by the XENON1T experiment. Moreover, we show that the XENON1T electron recoil data sets the most stringent bound on the lifetime of the dark matter within this model.

研究动机与目标

• 为解释银河系中心持续存在的511 keV伽马射线谱线，该谱线超出已知天体物理源，可能暗示暗物质衰变。
• 解释XENON1T直接探测实验中观测到的电子反冲过剩，该现象无法仅通过标准WIMPs或背景源解释。
• 在单一模型中统一解释511 keV谱线与XENON1T反冲过剩，同时避免延迟再组合与矮星系观测带来的约束。
• 利用XENON1T数据推导出迄今为止最严格的暗物质衰变分支比进入pico电荷粒子的上限。

提出的方法

• 引入一个U_X(1)规范对称性，其中暗光子（A'）与标准模型光子发生动力学混合，使pico电荷粒子（C, C̄）能同时耦合至标准模型与暗光子。
• 将暗物质（X）建模为寿命超过宇宙年龄10⁴倍的亚稳态MeV量级粒子，衰变为C与C̄。
• 利用银河系磁场约束相对论性C与C̄粒子，其随后湮灭为e⁺e⁻对，通过正电子素形成产生511 keV谱线。
• 通过SM与暗光子的t通道交换计算电子反冲谱，振幅之间的可能抵消可改善与XENON1T数据的拟合。
• 应用超新星冷却、CMB、BBN以及直接探测实验（CRESST、DarkSide）的约束，限制模型参数。
• 利用XENON1T电子反冲数据，推导出衰变分支比f = Γ_X t₀的3σ上限，从而得出暗物质寿命的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在单一暗物质衰变模型可同时解释511 keV伽马射线谱线与XENON1T电子反冲过剩？
• RQ2 如何在不违反延迟再组合或矮星系观测约束的前提下产生511 keV谱线？
• RQ3 基于XENON1T数据，暗物质衰变进入pico电荷粒子的最大允许分支比是多少？
• RQ4 SM与暗光子对散射过程的振幅之间是否存在抵消，可改善与XENON1T反冲谱的拟合？
• RQ5 该模型对超新星中微子信号以及未来CMB/BBN测量有何影响？

主要发现

• XENON1T电子反冲数据给出了迄今为止最严格的暗物质衰变分支比f（进入C与C̄粒子）上限，3σ水平下f < 10⁻⁶。
• 该模型通过相对论性pico电荷粒子与电子散射解释XENON1T反冲过剩，反冲谱可通过SM与暗光子交换振幅之间的干涉进行调节。
• 所需pico电荷约为10⁻¹¹ e，低于超新星冷却约束（~10⁻⁹ e），若暗光子衰变为中微子，该模型仍具物理可行性。
• 为满足XENON1T约束，暗物质寿命必须超过宇宙年龄的10⁶倍，使其成为迄今提出的最长寿命暗物质候选者之一。
• 该模型预测矮星系中银河系磁场强度与511 keV谱线强度之间存在相关性，可作为可检验的信号。
• 该模型使N_eff增加约0.1，未来CMB与BBN高精度测量或可探测此效应。