[论文解读] Xenon1T anomaly: Inelastic Cosmic Ray Boosted Dark Matter

Liangliang Su, Wenyu Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

该论文提出，地球大气层中的宇宙射线非弹性碰撞可产生快速运动的轻质暗物质（大气暗物质，ADM），从而通过电子散射解释氙1T实验中观测到的电子反冲过剩。该模型预测的截面为 $\sigma_e \sim 10^{-38}-10^{-39}$ cm$^2$，在避开现有直接探测约束的同时，与观测数据相符。

ABSTRACT

Very recently, the Xenon1T collaboration has reported an intriguing electron recoil excess, which may imply for light dark matter. In order to interpret this anomaly, we propose the atmospheric dark matter (ADM) from the inelastic collision of cosmic rays (CRs) with the atmosphere. Due to the boost effect of high energy CRs, we show that the light ADM can be fast-moving and successfully fit the observed electron recoil spectrum through the ADM-electron scattering process. Meanwhile, our ADM predicts the scattering cross section $\sigma_e \sim {\cal O}(10^{-38}- 10^{-39}$) cm$^{2}$, and thus can evade other direct detection constraints. The search for light meson rare decays, such as $\eta o \pi + \slashed E_T$, would provide a complementary probe of our ADM in the future.

研究动机与目标

• 解释氙1T实验中观测到的未解译电子反冲过剩现象。
• 探索通过高能宇宙射线与地球大气核素发生非弹性碰撞产生轻质暗物质的新机制。
• 证明加速的、高速运动的暗物质可通过电子散射重现观测到的反冲谱。
• 表明所预测的散射截面可避开其他直接探测实验的约束。
• 识别未来可用于验证该模型的互补探测手段，如稀有介子衰变。

提出的方法

• 通过高能宇宙射线与大气核素之间的非弹性碰撞建模轻质暗物质的产生过程。
• 利用宇宙射线带来的相对论性增强效应，生成具有足够动能以引发可探测电子反冲的快速运动暗物质粒子。
• 基于氙1T实验数据，利用ADM-电子相互作用计算电子散射截面。
• 利用宇宙射线相互作用的增强因子，确定所产生暗物质的速度分布。
• 将预测的反冲谱与氙1T实验数据进行比较，以评估其一致性。
• 通过评估截面大小，评估该模型与现有直接探测限制的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气中的非弹性宇宙射线碰撞是否能产生解释氙1T电子反冲过剩的轻质暗物质？
• RQ2 为拟合观测数据，所需的暗物质-电子散射截面是多少？
• RQ3 宇宙射线带来的相对论性增强效应如何影响暗物质的运动学特性和可探测性？
• RQ4 该模型能否避开其他直接探测实验的严格约束？
• RQ5 未来哪些实验探测手段可检验该大气暗物质模型的可行性？

主要发现

• 该模型通过大气中宇宙射线的非弹性碰撞产生轻质暗物质，成功重现了氙1T实验中观测到的电子反冲过剩。
• 所预测的暗物质-电子散射截面为 $\sigma_e \sim 10^{-38}-10^{-39}$ cm$^2$，与观测数据一致。
• 宇宙射线带来的增强效应可产生高速运动的暗物质，从而增强其在电子散射中的可探测性。
• 由于暗物质候选者的质量较轻且截面较小，该模型可避开其他直接探测实验的约束。
• 未来实验中，如 $\eta \to \pi + \slashed{E}_T$ 等稀有衰变，可作为验证该模型的互补探测手段。