Testing Dark Matter Coscattering with the High-Energy LZ Recoil
本文表明，LZ实验所观测到的高能核反冲可以直接探测暗物质情景，即在这些情景中，遗迹丰度是由共散射或转换驱动的冻结过程所决定的，特别是在一个耦合了轻暗光子的单重态-双重态费米子模型内，从而测试了在早期宇宙中主导暗物质产生的相同相互作用机制。
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几十年来，暗物质最令人信服的证据始终仅来自引力。我们看到恒星绕着星系中心运行的速度过快，以至于仅靠可见物质无法维持；我们也观察到光线绕过质量巨大的星系团发生弯曲的方式，暗示着不可见的质量正在其中发挥作用。然而，尽管有这种引力上的确定性，我们却从未直接捕捉到暗物质粒子。主流理论认为这些粒子是“弱相互作用大质量粒子”（WIMPs），它们应该偶尔会与深埋在地下的探测器中的普通原子发生碰撞。多年来，这些探测器一直在倾听此类碰撞产生的微弱敲击声，但其沉默是震耳欲聋的。然而，最近，LUX-ZEPLIN实验——一个位于南达科他州深处矿井中的大型液氙罐——报告了一个异常的单一事件。它观测到一个原子核的反冲能量远高于典型的背景噪声，这一信号虽然尚未成为一项发现，但已引发了人们的强烈兴趣，即它是否可能是第一次窥见一种行为方式不同于预期的暗物质粒子。
这项新研究探讨了该信号的一种特定可能性：一种暗物质粒子，它并不像台球那样从原子上弹开，而是利用碰撞的能量转化为自身的一个略重的版本。研究人员在一个假设暗物质存在于两种近乎相同的状态（一种较轻且大多隐藏的状态，以及另一种较重且相互作用更强的状态）的框架内进行工作，并询问这种转化是否能解释LUX-ZEPLIN探测器所看到的那个高能事件。他们关注的是这样一种情景：宇宙当前的暗物质总量并非由通常的粒子湮灭过程决定，而是由一种转换过程决定的，即较轻的粒子不断转化为较重的粒子，随后后者消失。这种被称为“共散射”（coscattering）的机制需要非常特定的条件，而这些条件通常会使暗物质对探测器而言是不可见的。然而，团队提出，一种轻型的、隐形的力载体（充当着暗世界与可见世界之间的信使）可以增强这种转化在今日发生的概率，从而使高能信号变得可见。
研究人员构建了一个详细的模型来测试这个想法，该模型涉及一种由两种类型混合而成的暗物质粒子：一种几乎不与任何事物发生相互作用，另一种则相互作用更强。在他们的设想中，较轻的版本是我们在今天看到的暗物质，而较重的版本则质量略大，两者之间存在极小的能量间隙。在早期宇宙中，这些粒子非常热且运动迅速。随着宇宙冷却，较轻的粒子因为相互作用极弱，很难自行消失。相反，它们依赖于转化为较重的粒子，而后者的湮灭过程则较为容易。这种转化成为了决定至今为止有多少暗物质存留下来的瓶颈。该理论面临的挑战在于，正是这种使转化在早期宇宙成为可能的微小混合，也使得轻粒子在今天的地球探测器上几乎不可能发生相互作用。
为了弥合这一差距，团队引入了一个轻型的暗光子，这是一种假设的粒子，充当着暗部门与可见世界之间的桥梁。这种粒子允许轻暗物质吸收来自与氙原子核碰撞的能量，从而跃迁到较重的状态。由于这一过程需要额外的能量，它只有在暗物质粒子运动速度非常快的情况下才会发生，这自然地将产生的信号推向了更高的能量。这与LUX-ZEPLIN实验报告的特定高能反冲事件相吻合，该事件发生的能量为248 keV。研究人员进行了广泛的模拟，以测试是否能在产生正确宇宙暗物质量的相同参数下，也能在探测器中产生恰好一个这样的事件，正如所观测到的那样。
他们的结果表明，这种情景确实是可能的，但仅限于一个极其狭窄的条件窗口内。对于他们考虑的最轻暗光子质量（约250 MeV），该模型表现得非常出色。在这种情况下，通过转换过程产生正确数量暗物质的参数区域，与产生LUX-ZEPLIN所见高能事件的参数区域几乎完美重叠。这意味着实验可以直接测试那项决定了数十亿年前暗物质形成的相互作用。该模型预测，暗物质粒子的质量将在750 GeV至1.6 TeV之间，这一范围虽然沉重，但在现有物理学框架内是可触及的。两个暗状态之间的质量分裂必须在150至300 keV之间，以允许高能反冲发生，而不超过我们星系中粒子的速度极限。
然而，随着这个隐形信使粒子质量的增加，故事变得更加复杂了。当研究人员将暗光子的质量增加到500 MeV或1 GeV时，早期宇宙与今日探测器之间的联系开始变得脆弱。较重的信使使得暗物质更难与探测器发生相互作用，因此需要更强的两个暗状态之间的混合才能产生信号。但是，如果混合过于强烈，早期宇宙中的转换过程就会变得过于高效，导致最终留存的暗物质量远低于我们所观测到的量。因此，对于最重的信使质量，产生信号的区域与通过转换驱动的宇宙历史工作的区域不再重叠。高能事件仍然是有可能发生的，但它将不再与创造我们今日所见暗物质的机制相关联。
研究得出结论，LUX-ZEPLIN报告的高能反冲事件提供了一个探测特定类型暗物质历史的独特机会。如果该信号确实来自暗物质，则指向了一种情景，即这些粒子的丰度是由转换过程而非简单的湮灭过程所决定的。这意味着，在热且稠密的早期宇宙中允许暗物质发生转化的那种力量，也是今天在我们的探测器中实现转化的同一种力量。虽然该模型需要一个轻型的暗光子来使这种相互作用变得可见，但它仍与所有其他已知的粒子加速器约束保持一致。研究人员强调，这是一个基于模拟的研究发现，它提出的是一条可行的路径而非确认的发现。如果未来来自LUX-ZEPLIN或其他实验的数据证实了这一高能信号，它可能为我们提供第一个直接证据，证明暗物质的历史是用“转换”的语言书写的，将大爆炸时期的宇宙与南达科他州深处的寂静矿井紧密联系在一起。
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