非弹性前沿：在高反冲能量下发现暗物质
高能物理 - 唯象学
2017-01-24 v2 高能物理 - 实验
摘要
存在充分动机的粒子暗物质模型，其在直接探测实验中主要发生非弹性散射离开原子核。这种非弹性跃迁导致暗物质在地面实验中向上散射到比暗物质本身重达550 keV的激发态。这种尺寸的非弹性跃迁在运动学和核形状因子上均受到强烈抑制。我们扩展了先前对非弹性暗物质的研究，以确定目前对散射截面的限制，以及灵敏度改进的前景。三个情景提供了说明性例子：近乎纯的Higgsino暗物质；磁性非弹性暗物质；以及具有暗光子交换的非弹性模型。我们确定了弹性散射率，并验证放热跃迁可忽略。目前，对截面的最强限制来自LUX-PandaX的氙（δ < 160 keV），PICO的碘（160 < δ < 300 keV），以及CRESST的钨（当δ > 300 keV时）。有趣的是，一旦δ > 200 keV，弱尺度（及更大）的暗物质-核子散射截面是被允许的。这些实验的相对竞争力由各实验所采用的反冲能量上限，以及对探测器中最重元素质量的强烈敏感性所支配。讨论了若干启示，包括可观的反冲能量依赖的年度调制，以及未来实验的改进。我们表明，如果氙实验能在更大的反冲能量范围（即20-500 keV）上分析其现有数据，它们可以改进PICO的结果。我们还推测了CRESST在45-100 keV之间报告的若干事件，可解释为是非弹性暗物质散射。来自PICO、CRESST和氙实验的未来数据可以通过对高能量反冲数据的分析来检验这一点。
引用
@article{arxiv.1608.02662,
title = {The Inelastic Frontier: Discovering Dark Matter at High Recoil Energy},
author = {Joseph Bramante and Patrick J. Fox and Graham D. Kribs and Adam Martin},
journal= {arXiv preprint arXiv:1608.02662},
year = {2017}
}
备注
Minor changes. Matches version published in Phys. Rev. D