有效场论中暗物质-电子散射的系统研究

在本文中，我们在有效场论（EFT）框架内系统地研究了普遍的暗物质-电子相互作用。我们考虑了非相对论（NR）EFT和相对论EFT对暗物质（DM）自旋最高为1（即标量（$\phi$）、费米子（$\chi$）和矢量（$X$）DM情形）相互作用的描述。我们首先收集了描述DM-电子相互作用的领头阶NR EFT算符，并特别为矢量DM情形构建了NR算符。接下来，我们考虑了所有可能的领头阶相对论EFT算符，包括那些带有光子场的算符，并执行NR约化以将它们匹配到NR EFT。然后，我们在NR EFT框架内重新推导了DM束缚电子散射率，并发现矩阵元平方（编码DM和原子信息的关键输入）可以紧凑地分解为三项。每一项都是一个DM响应函数（$a_{0,1,2}$）（本质上是Wilson系数平方的因子）与其对应的广义原子响应函数（$\widetilde W_{0,1,2}$）的乘积。最后，我们利用来自暗物质直接探测实验（包括XENON10、XENON1T和PandaX-4T）的电子反冲数据来约束所有三种DM情形中的所有非相对论和相对论算符。我们在亚GeV区域对DM-电子相互作用设置了强约束。特别地，我们发现最新的PandaX-4T仅S2数据对质量大于约20 MeV的暗物质提供了严格的限制，超过了之前的XENON10和XENON1T实验。