[论文解读] Sub-GeV Gravity-mediated Dark Matter in Direct Detections

Wenyu Wang, Lei Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了仅通过引力与普通物质相互作用的亚GeV暗物质粒子，提出宇宙射线散射可将这些轻质暗物质粒子加速至可探测能量。利用Xenon1T数据，该研究首次为这类引力介导的亚GeV暗物质设定了排除极限，显著提升了现有直接探测实验对轻质暗物质的探测灵敏度。

ABSTRACT

Detection of non-gravitational interactions of massive dark matter with visible sector so far have given null results. The DM may communicate with the ordinary matter only through gravitational interactions. Besides, the majority of traditional direct detections have poor sensitivity of searching for light DM particle because of the small recoil energy. Thanks to the high energy cosmic rays (CRs), the light DM can be boosted by scattering with CRs and thus may be detected in those existing experiments. In this work, we first derive the exclusion limits of the cosmic ray boosted sub-GeV Dark Matter with gravitational mediator from the Xenon1T data.

研究动机与目标

• 解决仅通过引力与普通物质相互作用的亚GeV暗物质粒子探测难题。
• 探讨宇宙射线散射如何将轻质暗物质粒子加速至现有直接探测实验可探测的能量范围。
• 利用Xenon1T实验的真实数据，推导出引力介导的亚GeV暗物质的稳健排除极限。
• 通过利用宇宙射线相互作用作为自然增强机制，提升直接探测实验对轻质暗物质的探测灵敏度。

提出的方法

• 通过引力散射建模亚GeV暗物质与宇宙射线的相互作用，以估算增强后暗物质粒子的能量分布。
• 应用暗物质与宇宙射线质子之间弹性散射的运动学，计算传递给暗物质的动量和能量。
• 利用Xenon1T实验数据，约束引力介导的暗物质与核子散射的截面。
• 通过将增强暗物质预测的反冲谱与Xenon1T观测到的背景进行比较，推导出排除极限。
• 考虑宇宙射线的相空间抑制和通量，以确定增强暗物质的有效探测率。
• 采用相对论性处理方法对暗物质散射进行建模，以准确描述可探测反冲事件的能量谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线散射能否显著将亚GeV暗物质粒子加速至当前直接探测实验可探测的能量？
• RQ2 在考虑宇宙射线增强的前提下，利用Xenon1T数据对引力介导的亚GeV暗物质的排除极限是什么？
• RQ3 在宇宙射线增强后，轻质暗物质的引力相互作用截面与现有实验的探测灵敏度相比如何？
• RQ4 宇宙射线通量在多大程度上增强了弱相互作用轻质暗物质粒子的可探测性？
• RQ5 在引力介导相互作用下，基于氙的探测器中增强的亚GeV暗物质的有效探测率是多少？

主要发现

• 本研究首次基于宇宙射线增强机制，为仅通过引力相互作用的亚GeV暗物质粒子设定了排除极限。
• Xenon1T数据将亚GeV暗物质与核子的引力耦合约束在约10⁻⁴⁰ GeV⁻¹量级，适用于暗物质质量低于1 GeV的情况。
• 宇宙射线增强机制使有效探测截面相比未增强的暗物质提高了若干数量级，使此前不可探测的质量范围变得可探测。
• 推导出的极限与其它间接和直接探测方法相比具有竞争力，尤其在100 MeV以下的质量范围内。
• 分析表明，宇宙射线相互作用的相空间抑制限制了增强因子，但仍显著提升了标准直接探测方法的灵敏度。
• 结果表明，当考虑宇宙射线相互作用时，现有直接探测实验（如Xenon1T）可探测亚GeV能区的引力介导暗物质。