由宇宙射線和彌散超新星微中子驅動的增強型暗物質

核心概念

探測低質量暗物質具有挑戰性，但宇宙射線和彌散超新星微中子可以將暗物質粒子提升到更高的能量，從而提高其在基於地面探測器中的可探測性。

摘要

這篇研究論文探討了增強型暗物質（BDM）在基於地面探測器中探測低質量暗物質（DM）的可能性。由於低質量暗物質與探測器靶核之間的能量轉移較小，因此直接探測具有挑戰性。然而，與宇宙環境中的高能粒子（如宇宙射線和彌散超新星微中子）的散射可以將暗物質粒子提升到更高的能量，從而提高其可探測性。

該論文考慮了兩種暗物質模型：親電子暗物質（與電子和微中子相互作用）和親核子暗物質（與核子和微中子相互作用）。
研究人員計算了由宇宙射線（質子、電子）和彌散超新星微中子背景（DSNB）產生的 BDM 通量。
他們發現，包含 DSNB 效應會顯著增強 BDM 通量，從而對暗物質-微中子和暗物質-核子（電子）散射截面產生更強的約束。
該論文提供了 XENONnT 和超級神岡等實驗中 DM-電子和 DM-核子散射截面的約束條件。
研究結果表明，考慮能量依賴性散射截面（例如重標量和矢量介體）會導致更強的約束。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Boosted Dark Matter Driven by Cosmic Rays and Diffuse Supernova Neutrinos

by Dilip Kumar ... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11973.pdf

深入探究

如果考慮暗物質與其他宇宙粒子（例如，暗光子）的相互作用，BDM 通量將如何變化？

考慮暗物質與其他宇宙粒子相互作用對BDM通量的影響
若考慮暗物質與其他宇宙粒子（例如暗光子）的相互作用，BDM 通量可能會發生顯著變化，具體取決於相互作用的性質和強度。以下是一些可能性：

**增強的 BDM 通量：**如果暗物質與暗光子的相互作用允許產生額外的 BDM，例如通過暗光子衰變或散射，則 BDM 通量可能會顯著增強。這將導致在直接探測實驗中產生更強的信號。
**抑制的 BDM 通量：**相反，如果暗物質與暗光子的相互作用導致 BDM 的能量損失或散射出探測器，則 BDM 通量可能會被抑制。這將使在直接探測實驗中探測到 BDM 變得更加困難。
**能量譜的改變：**暗物質與暗光子的相互作用可能會改變 BDM 的能量譜，使其在某些能量範圍內增強或抑制。這可能會影響不同實驗對 BDM 的敏感度。
總之，考慮暗物質與其他宇宙粒子的相互作用可能會顯著影響 BDM 通量及其可探測性。需要進行具體的模型計算來量化這些影響。

該論文的分析集中在重介體上。輕介體如何影響約束條件，是否存在可以探測此類情景的實驗？

輕介體對約束條件的影響以及探測實驗
該論文的分析集中在重介體上，這意味著暗物質與標準模型粒子之間的相互作用是短程的。輕介體意味著長程相互作用，這會影響 BDM 通量的計算以及對暗物質-核子（電子）散射截面的約束。

**對約束條件的影響：**輕介體會導致低能量傳遞時的散射截面增強。這意味著，與重介體相比，相同數量的 BDM 事件可以用更小的暗物質-核子（電子）散射截面來解釋。因此，輕介體通常會導致對散射截面的約束更弱。
**探測實驗：**探測輕介體 BDM 的實驗需要對低能量沉積事件具有更高的靈敏度。一些有希望的實驗包括：

SENSEI: SENSEI 实验使用低阈值硅探测器来寻找低质量暗物质，包括轻介体 BDM。
SuperCDMS: SuperCDMS 实验使用低温探测器来寻找低质量暗物质，并对轻介体 BDM 具有很高的灵敏度。
**低阈值液氙探测器：**未来的低阈值液氙探测器，例如 DARWIN 和 LZ，也可能对轻介体 BDM 具有灵敏度。

除了直接探測技術之外，還有哪些其他有希望的方法可以探測低質量 BDM？

探測低質量 BDM 的其他方法
除了直接探測技術之外，還有其他一些有希望的方法可以探測低質量 BDM：

**間接探測：**尋找暗物質湮滅或衰變產生的標準模型粒子，例如伽馬射線、宇宙線和中微子。低質量 BDM 的湮滅或衰變率可能較低，但這些信號可以提供關於暗物質性質的補充信息。
**對撞機搜尋：**在大型強子對撞機 (LHC) 等粒子對撞機上尋找暗物質的產生。如果暗物質與標準模型粒子之間存在相互作用，則可以在對撞機中產生暗物質，並通過其對可見粒子的影響來探測到。
**宇宙學觀測：**宇宙微波背景輻射 (CMB) 和宇宙大尺度結構的觀測可以提供關於早期宇宙中暗物質豐度的信息。這些觀測可以限制暗物質的性質，包括其質量和相互作用強度。
總之，探測低質量 BDM 是一個挑戰，需要結合多種方法。直接探測、間接探測、對撞機搜尋和宇宙學觀測可以共同提供關於暗物質性質的全面信息。