大探测器中非弹性暗物质的光信号

我们研究具有非弹性散射模型中的发光暗物质信号。与地球中元素发生非弹性散射的暗物质 $\chi_1$ 被踢入激发态 $\chi_2$，其随后可在探测器内衰变为单能光子。由于地球每日自转以及问题中的各向异性，该光子信号表现出很大的恒星日调制：暗物质风因太阳相对于星系的运动而来自天鹅座方向，岩石覆盖层是各向异性的，暗物质散射角亦是如此。这使得信号与本底得以极好分离。我们研究了两类大型地下探测器对该调制光子线信号的灵敏度：大型液体闪烁体中微子实验，包括 Borexino 与 JUNO，以及提出的气态闪烁体方向探测实验 CYGNUS。对于质量分裂 $\delta \gtrsim 240 (180)$ keV，Borexino（JUNO）的灵敏度超过氙实验对非弹性核反冲的界限，并且是 ${350 \text{ keV} \lesssim \delta \lesssim 600 \text{ keV}}$ 区间内对非弹性暗物质的唯一探测手段。对于 $\delta \lesssim 150$ keV，CYGNUS 的灵敏度至少与体积约 $10\;{\rm m}^3$ 的氙实验相当，且通过更大体积与改进的本底抑制可显著更优。此类改进导致一种不寻常的情形：即使弹性与非弹性散射截面相当，非弹性信号也成为搜寻暗物质的更优方式。