来自新型杜瓦实验的对 GeV 暗物质与重子相互作用的约束

以相对较大截面散射普通物质的暗物质无法被深地下 WIMP 实验约束,因为 DM 沿其路径有能量损失。然而,对于足够大的截面,GeV 质量范围内的 DM 粒子可被地球俘获并热化,导致 DM 大气的积累,其在地球表面的数密度可高达 $10^{14} \text{ cm}^{-3}$。(若 DM-核子相互作用为吸引且可形成束缚态,多数 DM 与原子核束缚,密度则低得多。)Neufeld 与 Brach-Neufeld 进行了实验,通过将各种材料浸入储存杜瓦内的液氮中测量其蒸发速率,来约束地球周围 DM 大气的 DM-重子散射截面。若 DM-氮截面处于适当范围,室温 DM 将穿透杜瓦壁并与冷氮散射,使其蒸发速率超出观测水平。通过添加已知量的不同材料可获得 DM 与氮以外其他材料截面的限制;若材料因与 DM 相互作用被加热,则会加热并蒸发液氮。由于在大部分相关截面区间 Born 近似一般无效,将此类实验结果解释为对 DM-核子截面的限制并非易事。本文中,我们以有限尺寸原子核源生的 Yukawa 势建模相互作用,推导了对 DM-重子散射的约束。将杜瓦约束与 BBN 结合,我们首次排除了 DM 质量为 0.8-5.5 GeV 时任意符号相互作用下高于 $10^{-26} \text{ cm}^{2}$ 的截面。一个受约束的 DM 模型是质量为 $m_X \sim 2$ GeV 的六夸克 $(uuddss)$ DM;它仍然可行。