[论文解读] Search for Cosmic Ray Electron Boosted Dark Matter with the CDEX-10 Experiment

R. Xu, L. T. Yang+86 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2026

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 0

一句话总结

本论文通过 chi-e 散射利用 CDEX-10 数据推导宇宙射线电子提升的暗物质（CReDM）的约束，采用 GALPROP 推导的 CRE 通量和对重介质/轻介质情形的能量相关截面，给出在某些质量区间超越 SHM 的排除限度。

ABSTRACT

We present new constraints on the cosmic ray electron boosted light dark matter (CReDM) using the 205.4 kg$\cdot$day data of the CDEX-10 experiment located at the China Jinping Underground Laboratory. The cosmic ray electron spectrum and distribution in the Galaxy are generated by the $ t GALPROP$ code package. In the calculation process of DM-electron scattering process in the Galaxy, we consider the energy-dependency of the DM-electron scattering cross section. The constraints on CReDM are set for both heavy and light mediator scenarios using the CDEX-10 dataset. The result exceeds previous Standard Halo Model (SHM) limits for DM mass lower than 0.6 MeV in heavy mediator case and corresponds to the best sensitivity among all direct detection experiments from 1 keV to 0.5 MeV in the light mediator scenario.

研究动机与目标

• 动机：寻求用电子散射提升的亚GeV暗物质（CReDM）在宇宙空间中的存在性。
• 利用 GALPROP 建模银河 CRE 谱与分布以计算提升的 DM 通量。
• 纳入重/轻介质情形的能量相关 DM-电子截面。
• 计算在锗探测器中的 chi-e 散射谱，并与 CDEX-10 数据比较以设定极限。

提出的方法

• 使用 GALPROP v57 产生银河系的宇宙射线电子通量，传播参数经由 AMS-02 与 Voyager I 数据进行标定。
• 采用 Navarro-Frenk-White 的暗物质密度轮廓，对 CReDM 通量执行线积分。
• 对于重介质（FDM ~ 常数）和轻介质（FDM ~ 1/q^2）介质，使用能量相关的 chi-e 截面，推导 dσχe/dTχ。
• 在空间计算 CReDM 谱，并基于 EXCEED-DM 的速度条件方法（VCA）将其转换为探测器率，采用非相对论处理并设定 v_max 截止。
• 对 CDEX-10 0.16–2.16 keVee 残差谱进行最小 χ^2 拟合，以设定 90% 可信区间排除。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDEX-10 数据给出的 CReDM 限制是什么？
• RQ2 重介质和轻介质情形如何影响 CReDM 通量及探测器谱？
• RQ3 引入空间 CRE 分布和非恒定截面相对于基于 SHM 的分析，如何影响排除限？

主要发现

• 在重介质情形下，CReDM 对 DM 质量低于 0.6 MeV 的约束超过 SHM 限制。
• 在轻介质情形中，结果在 DM 质量范围 1 keV 至 0.5 MeV 之间提供直接检测实验中最佳灵敏度。
• 分析使用 205.4 kg·d 的 CDEX-10 数据，分析阈值为 160 eVee，总效率为 4.5%。
• 研究发现重介质引起的通量在非相对论探测框架中的相对论性截断强烈影响，这使该结果对该情形较为保守。
• 使用 GALPROP 生成的 CRE 通量与空间分布，而非单一有效距离，来计算 CReDM 通量，从而降低建模不确定性。