Can tonne-scale direct detection experiments discover nuclear dark matter?
Can tonne-scale direct detection experiments discover nuclear dark matter?
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吨级直接探测实验能否发现核暗物质？
DOI：
10.1088/1475-7516/2017/10/035
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发表时间：
2017
影响因子：
6.4
通讯作者：
Butcher A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Butcher A
核暗物质的模型提出，暗扇区包含由暗核子组成的大型复合态，类似于标准模型核。我们研究了在当前一代的吨级液体惰性实验中，特别是DEAP-3600和XENON 1 T中，一类特殊的核暗物质模型的直接探测现象学。在我们选择的核暗物质的情况下，由于复合暗物质状态的非点状性质，反冲能谱中出现了独特的特征。我们计算了区分这些光谱所需的事件的数量从一个标准的点状WIMP状态与衰减指数反冲光谱。在核暗物质参数空间的最有利区域，我们发现在一次实验中，需要几十个事例才能在3 σ水平上区分核暗物质和WIMP。给定DEAP-3600和XENON 1 T的总曝光时间，我们发现，通过这些实验单独进行，最多可以达到2 σ的区分，而通过两个实验的组合，对于一系列参数，可以达到3 σ的灵敏度。我们表明，这些实验的未来升级有可能区分大范围的核暗物质模型的WIMP大于3 σ。
Models of nuclear dark matter propose that the dark sector contains large composite states consisting of dark nucleons in analogy to Standard Model nuclei. We examine the direct detection phenomenology of a particular class of nuclear dark matter model at the current generation of tonne-scale liquid noble experiments, in particular DEAP-3600 and XENON1T. In our chosen nuclear dark matter scenario distinctive features arise in the recoil energy spectra due to the non-point-like nature of the composite dark matter state. We calculate the number of events required to distinguish these spectra from those of a standard point-like WIMP state with a decaying exponential recoil spectrum. In the most favourable regions of nuclear dark matter parameter space, we find that a few tens of events are needed to distinguish nuclear dark matter from WIMPs at the 3 σ level in a single experiment. Given the total exposure time of DEAP-3600 and XENON1T we find that at best a 2 σ distinction is possible by these experiments individually, while 3 σ sensitivity is reached for a range of parameters by the combination of the two experiments. We show that future upgrades of these experiments have potential to distinguish a large range of nuclear dark matter models from that of a WIMP at greater than 3 σ.
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