О ЗНАЧИМОСТИ НЕУПРУГОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРЯМОМ ПОИСКЕ ЧАСТИЦ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

На основе предложенного ранее подхода к описанию рассеяния слабовзаимодействущих нерелятивистских массивных нейтральных частиц были получены явные выражения и сделаны оценки для ожидаемой скорости счета событий прямого детектирования частиц темной материи (DM), одновременно учитывающие упругий (когерентный) и неупругий (некогерентный) каналы взаимодействия DM-частицы с ядром-мишенью. Впервые в данном подходе при расчете вклада неупругих процессов было учтено влияние энергии возбуждения ядра. Корреляции между энергией возбуждения и допустимыми значениями кинетической энергии отдачи возбужденного ядра заметным образом ограничивают возможности детектирования неупругого канала некоторыми ядрами. Помимо Стандартной модели распределения темной материи вблизи Земли было рассмотрено влияние других моделей, допускающих заметно большие скорости DM-частиц. С ростом энергии отдачи ядра \(T_{A}\) имеет место плавный переход от доминирования упругого канала к доминированию неупругого канала DM-ядерного взаимодействия. Если DM-детектор настроен на регистрацию (только) событий упругого рассеяния, то он ничего не может регистрировать, когда энергия отдачи ядра оказывается ниже порога регистрации. При возрастании \(T_{A}\) такой детектор теряет способность что-либо ‘‘видеть’’, поскольку упругие процессы быстро сходят на нет. Единственным возможным свидетельством произошедшего взаимодействия становится излучение от снятия возбуждения ядра. В случае спин-независимого взаимодействия с ростом \(T_{A}\) неупругий вклад достаточно быстро становится основным. Дифференциальная скорость счета событий при этом уменьшается незначительно. Если DM-частица взаимодействует с нуклонами только спин-зависимым образом, то на ядрах с нулевым спином детекторы, традиционно ориентированные на регистрацию упругого спин-зависящего DM-сигнала, ничего не смогут зарегистрировать, поскольку весь сигнал ‘‘идет’’ через неупругий канал. Получается, что искомые взаимодействия DM-частиц вполне могут иметь заметную интенсивность, но прибор не способен их обнаружить. Таким образом, следует планировать эксперименты по прямому детектированию частиц темной материи в постановке, когда возможно детектирование двух сигналов — энергии отдачи ядра и \(\gamma\)-квантов с определенной энергией от снятия ядерного возбуждения. Такой эксперимент даст полную информацию о произошедшем DM-взаимодействии.

Об авторах

В. А. Бедняков

Лаборатория ядерных проблем им. В.П. Джелепова, ОИЯИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: bedny@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна

Список литературы

  1. T. Bringmann and C. Weniger, Phys. Dark Univ. 1, 194 (2012); arXiv: 1208.5481.
  2. Y. Sofue, arXiv: 1504.05368.
  3. R. Feldmann and D. Spolyar, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 446, 1000 (2015); arXiv: 1310.2243.
  4. M. Madhavacheril et al., Phys. Rev. Lett. 114, 151302 (2015); arXiv: 1411.7999.
  5. J. L. Feng, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 48, 495 (2010); arXiv: 1003.0904.
  6. B. Famaey, arXiv: 1501.01788.
  7. S. Cebrián, J. Phys.: Conf. Ser. 2502, 012004 (2023); arXiv: 2205.06833.
  8. R. Bernabei et al., Prog. Part. Nucl. Phys. 114, 103810 (2020).
  9. R. Bernabei, Physics 15, 10 (2014); arXiv: 1412.6524.
  10. N. Arkani-Hamed, D. P. Finkbeiner, T. R. Slatyer, and N. Weiner, Phys. Rev. D 79, 015014 (2009); arXiv: 0810.0713.
  11. B. Hoeneisen, arXiv: 1502.07375.
  12. M. Livio and J. Silk, Nature 507, 29 (2014); arXiv: 1404.2591.
  13. R. Bernabei et al., Int. J. Mod. Phys. A 37, 2240015 (2022).
  14. T. R. Slatyer, SciPost Phys. Lect. Notes 53, 1 (2022); arXiv: 2109.02696.
  15. J. Cooley, SciPost Phys. Lect. Notes 55, 1 (2022); arXiv: 2110.02359.
  16. G. Bertone, D. Hooper, and J. Silk, Phys. Rept. 405, 279 (2005); hep-ph/0404175.
  17. A. K. Drukier, K. Freese, and D. N. Spergel, Phys. Rev. D 33, 3495 (1986).
  18. G. B. Gelmini, arXiv: 1502.01320.
  19. V. A. Bednyakov, Phys. Part. Nucl. 47, 711 (2016); arXiv: 1505.04380.
  20. C. Boehm, D. G. Cerdeo, P. A. N. Machado, A. Campo, D. Olivares, and E. Reid, JCAP 1901, 043 (2019); arXiv: 1809.06385.
  21. D. K. Papoulias, R. Sahu, T. S. Kosmas, V. K. B. Kota, and B. Nayak, Adv. High Energy Phys. 2018, 6031362 (2018); arXiv: 1804.11319.
  22. W. H. Dai et al., arXiv: 2209.00861.
  23. M. J. Zurowski, E. Barberio, and G. Busoni, JCAP 12, 014 (2020); arXiv: 2005.10404.
  24. A. Aboubrahim, L. Althueser, M. Klasen, P. Nath, and C. Weinheimer, arXiv: 2207.08621.
  25. F. Kahlhoefer, F. Reindl, K. Schäffner, K. Schmidt-Hoberg, and S. Wild, JCAP 05, 074 (2018); arXiv: 1802.10175.
  26. V. Bednyakov, Phys. Part. Nucl. 44, 220 (2013); arXiv: 1207.2899.
  27. K. Freese, J. A. Frieman, and A. Gould, Phys. Rev. D 37, 3388 (1988).
  28. N. Spooner, J. Phys. Soc. Jap. 76, 111016 (2007); arXiv: 0705.3345.
  29. V. A. Bednyakov, arXiv: 2003.09422.
  30. G. E. Lawrence, A. R. Duffy, C. A. Blake, and P. F. Hopkins, arXiv: 2207.07644.
  31. P. Cushman, C. Galbiati, D. McKinsey, H. Robertson, T. Tait, et al., arXiv: 1310.8327.
  32. T. Saab, arXiv: 1203.2566.
  33. N. Hurtado, H. Mir, I. M. Shoemaker, E. Welch, and J. Wyenberg, Phys. Rev. D 102, 015006 (2020); arXiv: 2005.13384.
  34. P. Du, D. Egana-Ugrinovic, R. Essig, and M. Sholapurkar, Phys. Rev. X 12, 011009 (2022); arXiv: 2011.13939.
  35. M. Baryakhtar, A. Berlin, H. Liu, and N. Weiner, JHEP 2206, 047 (2022); arXiv: 2006.13918.
  36. A. Majumdar, D. K. Papoulias, and R. Srivastava, arXiv: 2112.03309.
  37. G. Afek, D. Carney, and D. C. Moore, Phys. Rev. Lett. 128, 101301 (2022); arXiv: 2111.03597.
  38. G. F. Giudice, D. Kim, J.-C. Park, and S. Shin, Phys. Lett. B 780, 543 (2018); arXiv: 1712.07126.
  39. J.-W. Wang, A. Granelli, and P. Ullio, Phys. Rev. Lett. 128, 221104 (2022); arXiv: 2111.13644.
  40. J.-C. Feng, X.-W. Kang, C.-T. Lu, Y.-L. S. Tsai, and F.-S. Zhang, JHEP 2204, 080 (2022); arXiv: 2110.08863.
  41. T. Emken, J. Frerick, S. Heeba, and F. Kahlhoefer, Phys. Rev. D 105, 055023 (2022); arXiv: 2112.06930.
  42. A. Granelli, P. Ullio, and J.-W. Wang, arXiv: 2202.07598.
  43. A. Filimonova, S. Junius, L. Lopez Honorez, and S. Westhoff, JHEP 2206, 048 (2022); arXiv: 2201.08409.
  44. N. F. Bell, J. B. Dent, B. Dutta, J. Kumar, and J. L. Newstead, arXiv: 2208.08020.
  45. S. Tsuchida, N. Kanda, Y. Itoh, and M. Mori, Phys. Rev. D 101, 023005 (2020); arXiv: 1909.00654.
  46. A. Coskuner, T. Trickle, Z. Zhang, and K. M. Zurek, Phys. Rev. D 105, 015010 (2022); arXiv: 2102.09567.
  47. E. E. Boos, V. E. Bunichev, and S. S. Trykov, arXiv: 2205.07364.
  48. V. V. Flambaum, B. T. McAllister, I. B. Samsonov, and M. E. Tobar, arXiv: 2207.14437.
  49. X. Fan, G. Gabrielse, P. W. Graham, R. Harnik, T. G. Myers, H. Ramani, B. A. D. Sukra, S. S. Y. Wong, and Y. Xiao, arXiv: 2208.06519.
  50. C. Blanco, R. Essig, M. Fernandez-Serra, H. Ramani, and O. Slone, arXiv: 2208.05967.
  51. J. Billard, M. Pyle, S. Rajendran, and H. Ramani, arXiv: 2208.05485.
  52. H. M. Araújo et al., arXiv: 2207.08284.
  53. D. Bardhan, S. Bhowmick, D. Ghosh, A. Guha, and D. Sachdeva, arXiv: 2208.09405.
  54. G. Krnjaic et al., arXiv: 2207.00597.
  55. A. Fuss, M. Kaznacheeva, F. Reindl, and F. Wagner, arXiv: 2202.05097.
  56. E. Armengaud et al., arXiv: 2203.03993.
  57. H. Lattaud et al., PoS V.EPS-HEP2021, 153 (2022).
  58. E. Armengaud et al., Phys. Rev. D 99, 082003 (2019); arXiv: 1901.03588.
  59. E. Aprile et al., Phys. Rev. Lett. 123, 251801 (2019); arXiv: 1907.11485.
  60. C. Cheng et al., Phys. Rev. Lett. 126, 211803 (2021); arXiv: 2101.07479.
  61. D. Kim and K. T. Matchev, Phys. Rev. D 98, 055018 (2018); arXiv: 1712.07620.
  62. J. Berger et al., arXiv: 2207.02882.
  63. T. Bringmann and M. Pospelov, Phys. Rev. Lett. 122, 171801 (2019).
  64. Z.-H. Lei, J. Tang, and B.-L. Zhang, Chin. Phys. C 46, 085103 (2022); arXiv: 2008.07116.
  65. C. Xia, Y.-H. Xu, and Y.-F. Zhou, Nucl. Phys. B 969, 115470 (2021); arXiv: 2009.00353.
  66. C. V. Cappiello and J. F. Beacom, Phys. Rev. D 100, 103011 (2019); arXiv: 1906.11283; Phys. Rev. D 104, 069901 (Erratum) (2021).
  67. Y. Ema, F. Sala, and R. Sato, Phys. Rev. Lett. 122, 181802 (2019); arXiv: 1811.00520.
  68. J. B. Dent, B. Dutta, J. L. Newstead, and I. M. Shoemaker, Phys. Rev. D 101, 116007 (2020); arXiv: 1907.03782.
  69. X. Cui et al., Phys. Rev. Lett. 128, 171801 (2022); arXiv: 2112.08957.
  70. P. Gondolo and J. Silk, Phys. Rev. Lett. 83, 1719 (1999); arXiv: astro-ph/9906391.
  71. K. Agashe, Y. Cui, L. Necib, and J. Thaler, JCAP 10, 062 (2014); arXiv: 1405.7370.
  72. C. Kouvaris, Phys. Rev. D 92, 075001 (2015); arXiv: 1506.04316.
  73. H. An, M. Pospelov, J. Pradler, and A. Ritz, Phys. Rev. Lett. 120, 141801 (2018); arXiv: 1708.03642; Phys. Rev. Lett. 121, 259903 (Erratum) (2018).
  74. T. Emken, C. Kouvaris, and N. G. Nielsen, Phys. Rev. D 97, 063007 (2018); arXiv: 1709.06573.
  75. C. Xia, Y.-H. Xu, and Y.-F. Zhou, arXiv: 2206.11454.
  76. R. Xu et al., arXiv: 2201.01704.
  77. S. Bhowmick, D. Ghosh, and D. Sachdeva, arXiv: 2301.00209.
  78. W. Wang, L. Wu, J. M. Yang, H. Zhou, and B. Zhu, JHEP 2012, 072 (2020); arXiv: 1912.09904; JHEP 2102, 052 (Erratum) (2021).
  79. G. Elor, R. McGehee, and A. Pierce, arXiv: 2112.03920.
  80. P.-K. Hu, A. Kusenko, and V. Takhistov, Phys. Lett. B 768, 18 (2017); arXiv: 1611.04599.
  81. L. Singh et al., Phys. Rev. D 99, 032009 (2019); arXiv: 1808.02719.
  82. Y. Cui, D. E. Morrissey, D. Poland, and L. Randall, JHEP 0905, 076 (2009); arXiv: 0901.0557.
  83. S. Kang, S. Scopel, and G. Tomar, Phys. Rev. D 99, 103019 (2019); arXiv: 1902.09121.
  84. N. F. Bell, J. B. Dent, B. Dutta, S. Ghosh, J. Kumar, J. L. Newstead, and I. M. Shoemaker, Phys. Rev. D 104, 076020 (2021); arXiv: 2108.00583.
  85. J. L. Feng, arXiv: 2212.02479.
  86. V. A. Bednyakov and D. V. Naumov, Phys. Rev. D 98, 053004 (2018); arXiv: 1806.08768.
  87. V. A. Bednyakov and D. V. Naumov, Phys. Part. Nucl. Lett. 16, 638 (2019); arXiv: 1904.03119.
  88. V. A. Bednyakov and D. V. Naumov, Phys. Part. Nucl. 52, 39 (2021); arXiv: 2021.0000.
  89. V. A. Bednyakov, D. V. Naumov, and I. V. Titkova, Phys. At. Nucl. 84, 314 (2021).
  90. V. A. Bednyakov, Phys. Part. Nucl. 54, 273 (2023); arXiv: 2023.11201.
  91. J. D. Lewin and P. F. Smith, Astropart. Phys. 6, 87 (1996).
  92. V. A. Bednyakov, Phys. Part. Nucl. 52, 847 (2021).
  93. J. D. Vergados, J. Phys. G 22, 253 (1996); hep-ph/9504320.
  94. L. Baudis, Phys. Dark Univ. 1, 94 (2012); arXiv: 1211.7222.
  95. M. Tanabashi et al., Phys. Rev. D 98, 030001 (2018).
  96. N. W. Evans, C. A. J. O’Hare, and C. McCabe, Phys. Rev. D 99, 023012 (2019); arXiv: 1810.11468.
  97. C. A. J. O’Hare, C. McCabe, N. W. Evans, G. Myeong, and V. Belokurov, Phys. Rev. D 98, 103006 (2018); arXiv: 1807.09004.
  98. V. A. Bednyakov, Phys. Part. Nucl. 54, 803 (2023); arXiv: 2303.10943.
  99. R. Sahu, D. K. Papoulias, V. K. B. Kota, and T. S. Kosmas, Phys. Rev. C 102, 035501 (2020); arXiv: 2004.04055.
  100. R. Sahu, V. K. B. Kota, and T. S. Kosmas, Particles 4, 75 (2021); arXiv: 2009.10522.
  101. R. H. Helm, Phys. Rev. 104, 1466 (1956).
  102. P. F. Smith and J. D. Lewin, Phys. Rept. 187, 203 (1990).
  103. V. Bednyakov and H. Klapdor-Kleingrothaus, Phys. Part. Nucl. 40, 583 (2009); arXiv: 0806.3917.
  104. R. Bernabei et al., arXiv: 2209.00882.
  105. V. A. Bednyakov, arXiv: 2305.02050.
  106. C. McCabe, JCAP 05, 033 (2016); arXiv: 1512.00460.
  107. L. Baudis, G. Kessler, P. Klos, R. F. Lang, J. Menéndez, S. Reichard, and A. Schwenk, Phys. Rev. D 88, 115014 (2013); arXiv: 1309.0825.
  108. E. Aprile et al., Phys. Rev. D 103, 063028 (2021); arXiv: 2011.10431.
  109. T. W. Donnelly and J. D. Walecka, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 25, 329 (1975).
  110. B. Dutta, W.-C. Huang, J. L. Newstead, and V. Pandey, arXiv: 2206.08590.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Pleiades Publishing, Ltd., 2023