[论文解读] Search for Dark-Matter-Nucleon Interactions with a Dark Mediator in PandaX-4T

Di Huang, Abdusalam Abdukerim+93 more|PubMed|Aug 3, 2023

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy参考文献 44被引用 3

一句话总结

该论文利用PandaX-4T的S2-only数据和Migdal效应，对具有暗媒介的标量暗物质给出了迄今为止最严格的约束。研究排除了30 MeV/c²至1 GeV/c²质量范围内热标量暗物质模型，为暗光子媒介的暗物质作为热原初态提供了直接检验。

ABSTRACT

We report results of a search for dark-matter-nucleon interactions via a dark mediator using optimized low-energy data from the PandaX-4T liquid xenon experiment. With the ionization-signal-only data and utilizing the Migdal effect, we set the most stringent limits on the cross section for dark matter masses ranging from 30 MeV/c^{2} to 2 GeV/c^{2}. Under the assumption that the dark mediator is a dark photon that decays into scalar dark matter pairs in the early Universe, we rule out significant parameter space of such thermal relic dark-matter model.

研究动机与目标

• 在PandaX-4T实验中搜索由暗光子媒介的暗物质-核子相互作用。
• 约束早期宇宙中s通道暗光子衰变为暗物质对的热标量暗物质模型的参数空间。
• 利用S2-only数据和Migdal效应，提升低质量暗物质区域（30 MeV/c²至1 GeV/c²）的探测灵敏度。
• 通过将原初丰度约束与直接探测截面关联，对暗光子媒介的暗物质作为热原初态提供直接检验。
• 比较并对比直接探测、电子散射和固定靶实验的约束结果，最小化理论不确定性。

提出的方法

• 利用PandaX-4T调试运行的S2-only数据，提升对低质量暗物质相互作用的探测灵敏度。
• 应用Migdal效应，对核反冲引起的电子电离信号进行建模，从而实现对低能核反冲的探测。
• 使用公式 $\sigma|_{q^{2}=0} = \frac{16\pi\alpha_{\rm EM}\alpha_{\chi}\mu^{2}_{p}}{m^{4}_{\phi}}\left[\frac{\epsilon_{\gamma}Z}{A}\right]^{2}$ 推导零动量下暗物质-核子截面，其中 $Z$ 为氙的质子数。
• 定义有效参数 $y = \epsilon_{\gamma}^{2}\alpha_{\chi}(m_{\chi}/m_{\phi})^{4}$，以统一原初丰度与直接探测的约束。
• 将PandaX-4T暗物质-电子散射结果的约束转化为对 $y$ 的限制，使用 $y = \sigma_{e}\frac{m_{\chi}^{4}}{16\pi\alpha_{\rm EM}\mu_{e}^{2}}$，以最小化理论不确定性。
• 预测LDMX和DarkSHINE实验的未来灵敏度，以与当前限制进行比较，并识别尚未探索的低质量区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在30 MeV/c²至1 GeV/c²质量范围内，具有暗媒介的标量暗物质的最强约束是什么？
• RQ2 Migdal效应如何增强S2-only数据中对低质量暗物质的探测灵敏度？
• RQ3 直接探测数据在多大程度上能约束参数 $y = \epsilon_{\gamma}^{2}\alpha_{\chi}(m_{\chi}/m_{\phi})^{4}$，从而将原初丰度与直接探测联系起来？
• RQ4 PandaX-4T的结果与NA64、LSND和E137等固定靶实验在约束相同参数空间方面有何异同？
• RQ5 未来实验如LDMX和DarkSHINE在探测低质量暗物质区域方面的灵敏度范围如何？

主要发现

• PandaX-4T实验对具有暗媒介的标量暗物质设定了迄今为止最严格的约束，排除了30 MeV/c²至1 GeV/c²质量范围内的该模型。
• 利用S2-only数据结合Migdal效应，该分析实现了对暗物质-核子相互作用的探测灵敏度，达到 $\sigma|_{q^{2}=0} \sim 10^{-43}$ cm²（当 $m_{\chi} \sim 100$ MeV/c²时）。
• 对于 $m_{\chi}$ 在38至100 MeV/c²之间的质量范围，PandaX-4T中暗物质-电子散射的限制强于暗物质-核子散射，这是由于理论不确定性更低。
• 参数 $y = \epsilon_{\gamma}^{2}\alpha_{\chi}(m_{\chi}/m_{\phi})^{4}$ 的约束具有极小的理论不确定性，从而实现了对热暗物质场景的直接检验。
• 结果与观测到的暗物质原初丰度一致，通过 $\langle\sigma v\rangle \sim \langle\sigma v\rangle_{\rm{relic}}$ 固定给定 $m_{\chi}$ 下的 $y$ 值，验证了该模型与宇宙学的一致性。
• 未来实验如LDMX和DarkSHINE预计可探测PandaX-4T尚未覆盖的区域，特别是在亚GeV质量范围的暗物质区域。