A Fast Earth-scattering Formalism for Light Dark Matter with Dark Photon Mediators
本文提出一种用于轻暗物质的快速地球散射形式化方法，通过减少计算成本提高日常调制信号建模效率。
2025-12-17 astro-ph.CO hep-ph
Primordial black hole tower: Dark matter, earth-mass, and LIGO black holes
我们研究了原始黑洞（PBH）形成的可能性与分级质谱在多个阶段的通货膨胀。作为一个例子，我们发现，人们可以同时实现最近吸引了很多关注的质谱：恒星质量PBH（$\sim\mathcal{O}(10)M_\odot$）作为LIGO/Virgo合作探测到的二元黑洞的可能来源，小行星质量（$\sim\mathcal{O}(10^{-12})M_\odot$）作为暗物质的主要成分，和地球质量（$\sim\mathcal{O}(10^{-5})M_\odot$）作为光学引力透镜实验微透镜数据中超短时标事件的来源。最近改进的de Sitter沼泽地猜想可能支持这样一个多阶段的暴胀的情况下，分级质量PBH作为每个暴胀阶段的过渡信号。
2019-08-10 astro-ph.CO hep-ph
Accelerating Earth-Bound Dark Matter
一小部分暗物质可能由一种粒子组成，这种粒子与标准模型的相互作用比类似质量的典型弱相互作用大质量粒子（WIMP）强得多。这种强烈相互作用的暗物质成分可以避免在寻找类似WIMP的暗物质时被探测到，因为它与大气和地球中的物质相互作用，在到达地下探测器之前大大减慢了速度。同样的相互作用也可以增强地球表面附近强烈相互作用的暗物质种类的密度，使其远高于当地银河系的暗物质密度。在这项工作中，我们提出了两种新的方法来检测强相互作用的暗物质的基础上加速增强人口预计在地球上通过散射。第一种方法是使用地下核加速器束将周围的暗物质群向上散射到位于下游的WIMP型探测器中。在第二种技术中，暗物质被强热源向上散射，并被低阈值暗物质探测器探测到。我们还讨论了强相互作用的暗物质的潜在候选人，我们表明，该方案可以自然地实现与一个隐藏的费米子耦合到一个亚GeV的暗光子。
2022-08-11 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Signatures of Earth-scattering in the direct detection of Dark Matter
直接探测实验是在地面探测器上研究暗物质粒子与原子核的相互作用。但如果这些相互作用足够强，DM粒子可能会分散在地球上，影响它们在实验室中的分布。我们提出了一个新的分析计算的这种“地球散射”的影响，在该制度中DM粒子散射最多一次到达检测器之前。我们自洽地进行计算，不仅考虑到从探测器散射的粒子，而且考虑到向探测器偏转的粒子。考虑到一个现实的地球模型，并允许一系列的DM-核子相互作用，我们提出的EarthShadow代码，我们公开提供，用于计算地球散射后的DM速度分布。专注于低质量DM，我们发现，地球散射在某些检测器位置的直接检测率降低，而在其他增加的速率。地球的自转引起的每日调制的速率，我们发现是高度敏感的探测器的纬度和DM核子相互作用的形式。这些独特的签名将使我们能够明确地检测DM，甚至可能在当前和未来实验范围内的参数空间区域中识别其相互作用。
2017-01-12 astro-ph.CO hep-ph
Earthly probes of the smallest dark matter halos
暗物质动力学退耦涉及早期宇宙中暗物质从轻子和夸克上的弹性散射，这一过程与天体中暗物质的直接探测和捕获率有关;因此，最小暗物质坍缩结构的最终尺寸应该与直接探测率和高通量相关的量相关，来自太阳或地球中暗物质湮灭的高能中微子。在本文中，我们解决这个一般性的问题的背景下，两个广泛研究和范式的弱相互作用粒子暗物质模型：最轻的中性伴子的最小超对称扩展的标准模型，和最轻的卡鲁扎-克莱因粒子的普遍额外维度（UED）。我们认为，并表明，虽然标量中性子核子截面与动力学去耦温度相关性较差，自旋相关的截面表现出很强的相关性，在广泛的模型。在UED模型的相关性是目前的两个截面，是非常紧密的自旋相关的情况下。一个强相关性也被发现，这两个模型，从太阳的中微子通量，特别是通量大到足以在潜在的可检测的水平。我们提供了分析指导和公式来说明我们的发现。
2012-05-14 astro-ph.CO hep-ph
Dark Matter Accumulation near the Earth for the Long Range Forces case
讨论了地球附近暗物质的积累。我们分析了长程相互作用力的情况。计算了地球表面暗物质的附加密度。我们发现，这个密度超过了我们银河系中的暗物质的平均密度，超过了某些暗物质粒子质量值的$10^5$倍。本文还分析了WIMP在地球附近的积累机制。
2011-09-15 astro-ph.CO nucl-ex
Dark Matter in the Earth and the Sun -- Simulating Underground Scatterings for the Direct Detection of Low-Mass Dark Matter
如果假设DM物质散射发生在探测器的目标材料中，碰撞自然也会发生在行星和恒星的内部。对于大的截面，这些散射可能发生在地球或太阳甚至在检测之前。在这篇论文中，我们研究了这些探测前散射对直接搜索光DM的影响，使用蒙特卡罗（MC）模拟。通过模拟地球或太阳中许多单个DM粒子的轨道和散射，我们确定了DM在任何探测器上弹性DM-核碰撞引起的DM统计特性的局部失真。地球内部的散射会扭曲地下DM密度和速度分布。由于地球的自转，任何探测器都会周期性地穿过这些不均匀性，并且预期的事件率将在整个恒星日内变化。使用MC模拟，我们可以确定任何实验的昼夜调制的确切幅度和相位。对于甚至更高的散射概率，通常地下探测器上方的覆盖层中的碰撞开始衰减入射DM通量。对于各种DM-核和DM-电子散射实验以及不同的相互作用类型，确定了实验对DM本身失去灵敏度的临界截面。此外，我们提出了亚GeV DM粒子可以进入太阳，通过碰撞热核获得动能，并以很高的速度反射的想法。通过推导出一个解析表达式的粒子通量从太阳反射通过一个单一的散射，我们展示了未来的实验的前景，探测反射DM和扩展其灵敏度较低的质量比访问晕DM单独。最后，我们提出了第一个结果MC模拟的太阳反射考虑到多重散射的影响。
2019-06-18 astro-ph.CO hep-ph
Neutrinos from Earth-Bound Dark Matter Annihilation
本文研究碰撞长度短于行星尺度的暗物质在地球中的积累与湮灭，通过重新诠释现有中微子搜寻数据，在停止介子和瞬发高能中微子两种情景下排除了此前未探索的暗物质参数空间。
2024-01-12 astro-ph.CO astro-ph.EP hep-ph
Dark Photons from the Center of the Earth: Smoking-Gun Signals of Dark Matter
暗物质可能在暗电磁作用下被一个暗光子充电，该暗光子与标准模型光子动力学混合。在这个框架下，暗物质将在地球中心聚集并湮灭成暗光子，暗光子可能到达地球表面并衰变成可观测的粒子。我们确定由此产生的信号率，包括索末菲增强，其中发挥了重要作用，使地球的暗物质人口的最大，平衡值。对于暗物质质量$m_X \sim$ 100 GeV - 10 TeV、暗光子质量$m_{A'} \sim$ MeV-GeV和动力学混合参数$\varepsilon \sim 10^{-10} - 10^{-8}$，指向地球中心的所产生的电子、μ子、光子和强子是暗物质的冒烟的信号，其可以通过各种实验检测到，包括中微子望远镜（例如IceCube）和基于空间的宇宙射线检测器，例如费米LAT和AMS。我们确定的信号率和特性，并表明，大和惊人的信号-如平行μ子轨道-是可能的，在区域的$(m_{A'}, \varepsilon)$平面不探测直接检测，加速器实验，或天体物理观测。
2017-10-03 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
Earth-Scattering Induced Modulation in Low-Threshold Dark Matter Experiments
针对亚GeV暗物质粒子，研究其经地球散射后在低阈值探测器中产生的恒星日周期信号调制，分析不同媒介子及靶材特性，指出该方法可探测当前实验阈值附近的新参数空间。
2025-11-13 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Using atomic clocks to detect local dark matter halos
玻色子暗物质有可能在太阳或地球周围形成晕。我们讨论了探测这种晕与原子钟的可能性。无论是希格斯门户或光子门户之间的暗物质和标准模型的相互作用，我们搜索可能的参数空间，地球上的时钟和空间中的时钟将有一个可辨别的频率差。环绕地球的玻色暗物质晕有可能用目前的光学原子钟探测。
2021-06-10 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Gravitational search for near Earth black holes or other compact dark objects
原始黑洞的质量与小行星相当，是暗物质的一个有吸引力的可能性。此外，其他形式的暗物质也可以形成致密暗天体（CDO）。我们寻找小的潮汐加速度从低质量的黑洞或CDO轨道靠近地球，并没有发现。利用德国西南部黑森林天文台和西非贝宁北部Djougou的超导重力仪大约10年的数据，我们设定了绕地球轨道运行的任何黑暗物体的最大质量上限，作为轨道半径的函数。对于小于两个地球半径的半长轴，我们排除了所有质量大于6.7 × 10 ^{13} kg的黑洞或CDO。较低质量的原始黑洞可能受到霍金辐射的强烈约束。我们的结论是，近地黑洞是极不可能的。
2022-01-17 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.HE
On Diurnal and Annual Variations of Directional Detection Rates of Dark Matter
对弱相互作用大质量粒子（WIMP）作为暗物质的方向敏感直接探测将提供暗物质（DM）的明确的非引力特征。由于地球自转引起的DM信号的日变化是银河系WIMP的重要特征。由于地球自转轴相对于WIMP风向的特定方向，在探测器上观测到的WIMP风的视向可以在一天内发生很大的变化。在这项工作中，我们计算了定向探测率与他们的日常和每年的调制在地球上的暗物质实验考虑的几何和动力学的地球太阳系统的详细特征，以及太阳在银河系的运动。本文还考虑了一种不同于通常的暗物质晕标准晕模型的晕模型，即暗盘模型，并对两种模型的结果进行了比较。我们证明了两种类型的气体探测器，即DRIFT（目标材料CS2）和NEWAGE（目标材料CF4），使用时间投影室技术测量反冲核的方向性的结果。计算了特定探测器的WIMP质量和反冲能对事件率日变化的依赖关系，并探讨了所考虑的探测器的质量和反冲能的敏感范围。
2012-04-13 astro-ph.CO hep-ph
Bounds on screened dark energy from near-Earth space-based measurements
Università di Salerno（萨莱诺大学）；INFN, Sezione di Napoli（意大利国家核物理研究所那不勒斯分部）；Institut de Physique Théorique, Université Paris-Saclay, CEA, CNRS（巴黎萨克雷大学理论物理研究所）
通过近地空间测量，研究利用后牛顿框架计算了对chameleon、symmetron和dilaton模型的约束，展示了空间实验对屏蔽暗能量的高灵敏度探测。
2026-03-10 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Dark Matter that Interacts with Baryons: Density Distribution within the Earth and New Constraints on the Interaction Cross-section
对于质量在0.6 - 6 m_p范围内的暗物质（DM）粒子，我们对它们与重子物质的相互作用截面设置了严格的限制.这些限制来自于这样的认识，即这些粒子可以被地球捕获-并在地球内热化，导致与重子相互作用的DM的大量积累和集中。在这里，我们讨论的概率，DM拦截地球将被捕获，DM粒子的数量，从而积累了地球的寿命，这些粒子的分数保留在面对蒸发，和地球内的这些粒子的密度分布。在后者的情况下，我们注意到，以前的治疗DM的密度分布，提出了古尔德和Raffelt和随后应用到DM在太阳，是不一致的考虑流体静力平衡。我们的分析提供了地球表面DM粒子密度的估计值，在考虑的质量范围内，DM粒子密度可能超过1.E+14 cm-3。根据我们在地球表面的DM密度的测定，我们得到的散射截面上的约束。这些限制因素来自四个方面：（1）大型强子对撞机上相对论质子束的寿命;（2）低地球轨道航天器的轨道衰减;（3）隔热良好的储存杜瓦瓶中低温液体的蒸发率;（4）地壳的导热性。作为我们的结果的一个例子应用，我们表明，最近调用的散射截面Barkana的原始解释的异常深21厘米的吸收报告的EDGES，DM粒子质量在0.6 - 4 m_p范围内被排除。
2018-07-30 astro-ph.CO hep-ph
Dark matter repulsion could thwart direct detection
我们考虑普通物质和暗物质之间的弱排斥相互作用，其范围类似于或大于地球的大小。因此，无论暗物质与原子的短距离相互作用的强度如何，暗物质都可能被地球排斥，导致直接探测实验的结果为零。一般来说，这样的排斥力不允许将暗物质困在天体内。在这种情况下，基于加速器的实验可能会提供不对称暗物质模型的唯一可靠信号，这些模型通常缺乏来自自湮灭的间接信号。我们的假设的一些变体也进行了简要讨论。
2018-01-27 astro-ph.CO hep-ph
Earth-Scattering of super-heavy Dark Matter: updated constraints from detectors old and new
对暗物质（DM）的直接搜索正在不断改进，探索越来越低的DM-核子相互作用截面。然而，对于强相互作用的大质量粒子（SIMP）暗物质，由于大气、地球和探测器屏蔽的阻挡效应，可到达的截面从上方被限制。我们提出了一个仔细的计算的SIMP信号率，侧重于超重DM（$m_χ\gtrsim 10^5 \,\,\mathrm{GeV}$）的标准的核停止形式主义是适用的，并提供代码实现这种计算数值。根据低阈值CRESST 2017表面运行的最新结果，我们将直接检测搜索的最大横截面范围提高了约5000倍，DM质量高达$10^8 \,\,\mathrm{GeV}$。对较长时间接触的次表层清洁发展机制第一阶段的结果（2002年发表）进行的重新分析将以前的横截面范围提高了两个数量级，质量可达$10^{15} \,\,\mathrm{GeV}$。随着补充约束从SIMP捕获和湮灭在地球和太阳，这些改进的限制直接核散射搜索关闭了一些窗口的SIMP参数空间中的质量范围$10^6$ GeV的$10^{13}$ GeV，特别感兴趣的重DM产生的引力在年底的通货膨胀。
2018-06-30 astro-ph.CO hep-ph
Measurement of TeV dark particles due to decay of heavy dark matter in the earth core at IceCube
假设宇宙中存在两种暗物质：一种是早期宇宙中产生的质量为O（TeV）的重暗物质粒子（HDM），另一种是HDM衰变的相对论产物，即轻暗物质粒子（LDM）。被地球捕获的HDM衰变为高能LDM，这些粒子可以用千米的$^3$中微子望远镜测量，比如冰立方探测器。采用$Z^{\prime}$门户暗物质模型，研究了LDM通过重规范玻色子$Z^{\prime}$介导的中性流相互作用与核的相互作用。在1 TeV ~ 100 TeV的能量范围内，利用IceCube测量的LDMs的事件率，计算了HDMs和Z $^{\prime}$质量的不同衰变寿命。根据IceCube数据，LDM通量的上限估计为90% C. L.在冰立方最后证明了在IceCube上利用$m_{Z^{\prime}} \lesssim 500 GeV$和$τ_ϕ \lesssim 10^{21}$可以直接探测到O（1 TeV）~ O（10 TeV）能量范围内的LDM。
2021-03-25 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Energetic neutrinos from the Sun and Earth and dark matter substructure
暗物质晕包含着丰富的子结构，其形式为暗晕和潮汐流。这些区域的暗物质密度的增强导致直接探测实验中的速率增强，以及太阳和地球中的暗物质捕获速率增强。直接探测实验探测现今的暗物质密度，而高能中微子探测沿着太阳系绕银河系中心的轨道的暗物质密度的过去历史。我们讨论了如何使用高能量中微子通量来探测太阳系银河半径处存在的亚结构水平。
2009-12-08 astro-ph.CO astro-ph.HE
Using Secondary Tau Neutrinos to Probe Heavy Dark Matter Decays in Earth
暗物质粒子可以被天体引力捕获，激发了对局部湮灭或衰变的搜索。如果中微子是衰变产物之一，那么冰立方和其他中微子观测站就可以检测到它们。我们调查这种情况下的暗物质粒子以上$m_χ \gtrsim$ PeV产生tau中微子信号，使用更新的暗物质捕获和热化模型。在这些能量下，τ中微子的再生是通过地球传播过程中的一个重要效应，允许在远大于一个相互作用长度的距离上进行探测。我们展示了如何大的能量损失的τ轻子以上$\sim$ PeV驱动范围广泛的初始能量相同的最终能谱的“二次”τ中微子在检测器，我们提供了一个解析近似的数值结果。这种效应使实验能够约束衰变发生在非常高的能量，我们研究的范围内的IceCube高能量的起始事件（HESE）样本中的参数空间的捕获暗物质湮灭和衰变以上PeV。我们发现，冰立方搜索探测的参数空间将需要暗物质截面与现有的直接检测边界的张力。
2022-04-09 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Light Dark Matter Accumulating in Planets: Nuclear Scattering
本文首次完整处理了行星中强相互作用轻暗物质的俘获问题，通过Monte-Carlo模拟揭示了“乒乓效应”等关键动力学过程，从而获得了基于地球加热与直接探测实验的改进界限。
2023-09-13 astro-ph.CO astro-ph.EP hep-ph
WIMP capture and annihilation in the Earth in effective theories
在暗物质-核子相互作用的非相对论有效理论中，计算了WIMP在地球中的俘获和湮灭率。忽略算子干扰，我认为所有的伽利略不变的相互作用算子，可以产生从交换的重粒子的自旋小于或等于1时，WIMP的自旋为0，1/2或1。我计算的位置和形状的预期共振的质量捕获率平面，并表明，铁是不是最重要的元素在捕获过程中，许多目前被忽视的相互作用运营商。我比较这些预测与最近的结果，地球WIMP分析冰立方在86弦配置和设置限制的所有isoscope和isovector耦合常数的有效理论的暗物质-核子相互作用。对于某些相互作用算子和暗物质粒子质量约为50 GeV，我发现，这些限制是强于我以前在冰立方在79弦配置进行的太阳WIMP搜索的分析中得出的。
2016-10-19 astro-ph.CO hep-ph
Dark Matter that Interacts with Baryons: Experimental Limits on the Interaction Cross-section for 27 Atomic Nuclei, and Resultant Constraints on the Particle Properties
为了限制与核子相互作用的暗物质的性质，我们在77 K下对普通重子物质的反常加热进行了实验研究。我们的桌面实验的动机的可能性（在以前的论文中讨论），DM粒子的质量在$\sim 1 - 2 m_{\rm p}$范围内可以捕获和集中在地球内。对于合适的参数，这一现象可能导致地球表面热化（300 K）DM粒子的大量密度$\sim 10^{14}\,\rm cm^{-3}$，这将加热较冷的重子物质。我们的实验涉及到精确的差分测量液氮的蒸发率在存储杜瓦瓶内的各种材料浸泡。结果显示，在地壳中27种具有摩尔分数$> 10^{-5}$的元素中没有显著的加热检测。对于地壳的平均组成的材料，我们的测量意味着$3 σ$上限$1.32 \times 10^{-27}\, n_{\rm 14}^{-1} (m_{\rm DM}/2\,m_{\rm p})^{-1/2}\,\rm cm^2$的平均截面上的热HIDM散射在300 K，其中$10^{14}\,n_{14} \, \rm cm^{-3}$是在地球表面的粒子密度。结合散射截面的下限，从对地壳热流的考虑中获得（Neufeld，Farrar & McKee 2018），我们的实验对地球表面DM的密度设置了$1.6 \times 10^{13}\,\rm cm^{-3}$的上限。这反过来又大大限制了与重子相互作用的任何DM候选者的属性。
2019-04-02 astro-ph.CO hep-ph
Monthly Modulation in Dark Matter Direct-Detection Experiments
在暗物质直接探测实验中，由于地球相对于银河系暗物质晕的运动，信号应该表现出调制特征。由于地球绕太阳公转和绕自身轴自转，年调制和日调制以前已经被探索过。月调制是直接探测信号中存在的另一个这样的特征，并且提供了一种几乎独立于模型的方法来区分暗物质信号事件和背景。在这里，我们研究每月调制详细的WIMP和WISP暗物质搜索，检查地球的运动的影响，地球的地月重心和引力聚焦由于月球。对于WIMP搜索，我们计算了计数率的每月调制，并显示其影响太小，在可预见的未来无法观察到。对于WISP暗物质的实验，我们表明，由WISP光子转换产生的光子的频率进行每月调制的转变，这是检测与当前的技术，一般不能被忽略在高分辨率的WISP搜索。
2016-06-19 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ph
Dark-Matter Harmonics Beyond Annual Modulation
暗物质直接探测实验的计数率应每年调整一次，因为地球围绕太阳运动。我们发现，更高的频率调制，包括每日调制，也存在，在某些情况下，几乎一样强的年度调制。如果（i）暗物质是光，O（10）GeV，（ii）散射是非弹性的，或（iii）速度子结构存在，这些高阶模式是特别相关的;对于这些情况，高频模式是潜在的电流和吨级探测器可观察到的。我们推导出简单的表达式的谐波模式作为函数的天体物理和地球物理参数描述地球的轨道，使用更新的表达式地球的速度，纠正了文献中的一个常见错误。对于各向同性的晕速度分布，某些比例的模式是近似恒定的核反冲能的函数。各向异性分布也可以在谐波频谱中留下可观察到的特征。因此，高阶谐波模式是一个强大的工具，用于识别潜在的信号与银河系暗物质晕的相互作用。
2013-11-14 astro-ph.CO hep-ph
Inverted dipole feature in directional detection of exothermic dark matter
定向暗物质探测试图测量原子核在与银河系晕中的暗物质粒子相互作用后反冲的运动方向。由于地球相对于银河系的运动，暗物质通量集中在一个优先方向。反冲方向速率的各向异性被认为是暗物质的一个明确无误的特征。平均核反冲方向预计与到达地球的暗物质粒子的平均方向一致。在这里，我们指出，对于一种特殊类型的暗物质，非弹性放热暗物质，平均反冲方向以及一个次要的功能，最大反冲率的环周围的平均反冲方向，而不是相反的平均暗物质到达方向。因此，探测到平均核反冲方向与通常预期的方向相反，将构成对这种类型的暗物质的壮观实验确认。
2016-11-06 astro-ph.CO hep-ph
Dark matter cooling during early matter-domination boosts sub-earth halos
该研究发现大爆炸核合成前的早期物质主导时期会使暗物质提前冷却、缩小自由流动视界，进而增强亚地球质量暗晕的数密度与湮灭信号，为探测非标准早期宇宙学提供了新途径。
2025-03-20 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Earth-bound Milli-charge Relics
具有小电荷或毫电荷（mCPs）的暗扇区粒子可能导致粒子物理、天体物理和宇宙学中的各种不同现象。假设它们可能存在，我们研究了MCP在物质中的积累和传播，特别是在地球内部。即使是很小的毫荷值也会导致原子上相当大的散射截面，从而导致完全热化，因此，mCP的数密度会相当大，特别是对于GeV和更高的质量值，当蒸发受到抑制时。增强mCP密度相比，他们的银河系的丰度，可以作为大$10^{14}$，导致新的实验探测这种模式的可能性。mCP对的湮灭将导致大体积探测器（例如超级神冈探测器）的新特征。通过直接的暗物质探测实验可以观察到带负电荷的mCP与原子核的结合态的形成。利用地下静电加速器，可以开发一种独特的mCP探测器，它可以直接将mCP加速到直接暗物质探测实验的实验阈值以上。
2021-06-26 astro-ph.CO hep-ph
Effect of Gravitational Focusing on Annual Modulation in Dark-Matter Direct-Detection Experiments
在暗物质直接探测实验中，由于地球绕太阳的轨道，散射率应该每年调整一次。通常认为，这种速率在6月1日左右达到极值，此时地球相对于暗物质风的相对速度最大。我们指出，引力聚焦可以改变这种调制阶段。未束缚的暗物质粒子被太阳的引力势聚焦，影响它们在实验室框架中的相空间密度。引力聚焦可以导致年度调制相位的显著整体偏移，这与低散射速度的暗物质最相关。对于O（10）GeV的暗物质，感应相移也可能是显著的，这取决于实验的阈值能量。
2014-01-31 astro-ph.CO hep-ph
Background-Induced Forces from Quadratically Coupled Ultralight Dark Matter
Cincinnati State Technical and Community College（辛辛那提州立技术与社区学院）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器中心 DESY）；Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；University of Oregon（俄勒冈大学）
研究二次耦合超轻标量暗物质通过背景诱导产生成分依赖力的机制，采用分波散射方法解析角依赖性和地球屏蔽效应，发现信号分裂为多边带结构，并评估了MICROSCOPE实验约束及未来实验的灵敏度提升。
2026-10-28 astro-ph.CO hep-ph
Trap with ultracold neutrons as a detector of dark matter particles with long-range forces
考虑了用超冷中子阱探测具有长程力的暗物质粒子的可能性。所提出的方法的基本优点在于检测的反冲能量10-7 eV的可能性。给出了不同地球暗物质密度下暗物质粒子与中子间Yukawa型相互作用势参数的限制条件。考虑到暗物质与普通物质的长程相互作用，低能时的截面有了很大的增强。因此，出现了在地球的引力场中捕获和积累暗物质的可能性。讨论了低能暗物质在地球上积累的粗略估计。第一个实验限制存在的暗物质与地球上的长程作用力。
2010-07-26 astro-ph.CO nucl-ex
Closing the Window on Strongly Interacting Dark Matter
通过改进两种方法对暗物质与规则物质的自旋无关相互作用截面进行了约束。首先，考虑了暗物质-宇宙射线相互作用，其中宇宙射线质子与暗物质碰撞以贡献伽马射线天空。这个约束是使用NFW和摩尔暗物质密度分布和费米伽马射线空间望远镜的新数据开发的。第二，地球捕获的情况下，被捕获的粒子在地球的中心自我湮灭，从而增加了其内部的热流。这里提出的约束是基于对暗物质粒子通过地球的漂移时间的分析而开发的，该漂移时间被建模为由铁组成的核心和由氧组成的地幔，层与层之间具有线性密度梯度。对宇宙射线约束（排除了暗物质--规则物质相互作用截面大于其值）的分析表明，它与地球漂移时间约束（排除了小于其值的截面）有很大的重叠，当与其他排除条件结合时，关闭了强相互作用暗物质粒子的窗口，其质量高达约10^{17} GeV。
2012-11-08 astro-ph.CO
Gamma-ray Signal from Earth-mass Dark Matter Microhalos
如果宇宙中的暗物质是由中性伴子组成的，那么地球质量的暗物质微晕（约100 AU）是宇宙中最早形成的结构。在这里，我们报告的超高分辨率模拟这些微晕的形成和演变的结果。我们发现微晕的中心密度尖点呈$ρ\propto r^{-1.5}$的形式，比较大的暗晕的尖点陡得多。这些微晕的中心区域在与恒星的相遇中幸存下来，除了在星系的内部区域，从星系中心到几百个pcs的半径。来自最近微晕的湮灭信号被观测为伽马射线点源（半径小于1“），具有异常大的自行，每年约0.2度。它们的表面亮度约为银河系中心的10%。如果它们远离银道面，它们的信噪比可能会更好。暗晕的亮度仅由其质量决定，比Springel等人（2008年）的估计高出一个数量级：增强因子可以大于1000。Parkes脉冲星定时阵（PPTA）的观测可以探测到附近地球质量微晕引力对毫秒级脉冲星的扰动。
2013-04-08 astro-ph.CO
Dark matter in the solar system III: The distribution function of WIMPs at the Earth from gravitational capture
在这最后一个系列的三个弱相互作用大质量粒子（WIMP）的暗物质在太阳系中，我们专注于WIMP绑定到系统的引力散射了行星。我们提出了一个玩具太阳系中的WIMP轨道模拟只包括太阳和木星。正如以前的工作所建议的，我们发现，在地球上的引力捕获的WIMP的密度是小的，在很大程度上不敏感的弹性散射在太阳的细节。然而，我们发现引力捕获的WIMP的密度可能会受到外部银河系引力场的影响。如果这些场不重要，那么地球上引力捕获的WIMP的密度应该与太阳系中弹性散射捕获的WIMP的最大密度相似。使用标准的假设晕WIMP分布函数，我们发现，引力捕获的WIMP的直接检测事件率的贡献可以忽略不计。虽然这些WIMP确实主导了地球中WIMP的湮灭率，但中微子望远镜中的事件率太低，无法在下一代中微子望远镜中观察到。
2009-02-09 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
DaMaSCUS: The Impact of Underground Scatterings on Direct Detection of Light Dark Matter
传统的暗物质直接探测实验通过在地下探测器中寻找暗物质粒子与原子核之间的弹性散射事件，对暗物质设置了严格的约束。然而，这些约束在亚GeV质量区域显著减弱，这仅仅是因为光暗物质没有足够的能量来触发探测器，而不管暗物质-核子散射截面如何。即使未来的实验降低了它们的能量阈值，它们仍然会对参数空间视而不见，在参数空间中，暗物质粒子与原子核的相互作用足够强烈，以至于它们失去了足够的能量，当它们到达地下探测器时，无法产生高于实验阈值的信号。因此，如果暗物质处于亚GeV区域并且相互作用强烈，则必须考虑暗物质与地球核的可能地下散射，因为它们显著影响反冲谱和事件率，无论实验是通过DM-核还是DM-电子相互作用探测DM。为了量化这种影响，我们提出了公开可用的地下散射（DaMaSCUS）的暗物质模拟代码，DM轨道通过地球的蒙特卡罗模拟器考虑地下散射。我们的模拟可以精确计算地球上任何给定深度和位置的探测器上暗物质的密度和速度分布。模拟还可以提供地下探测器中的精确反冲光谱以及由地球的这种阴影效应引起的昼夜调制的相位和幅度，最终将不同探测器中预期的调制相关联，这对于决定性地得出昼夜调制是由于暗物质还是不相关背景的结论是重要的。
2017-11-20 astro-ph.CO hep-ph
An Analytic Approach to Light Dark Matter Propagation
针对亚GeV光暗物质传播模拟计算成本高的问题，提出基于实验室系各向同性散射近似的解析衰减模型，其与Monte Carlo结果吻合且大散射次数下更快，还发现此前次主导暗物质研究高估了直接探测灵敏度。
2023-08-28 astro-ph.CO hep-ph
Possibility of Primordial black holes Collision with Earth and the Consequences
在原始黑洞（PBH）存在的背景下，它们可能构成宇宙暗物质的一部分。假设PBH填充了银河系中的暗物质，在星系晕和暗盘中，我们计算了PBH与地球碰撞的概率。这种碰撞有不同的后果，如通过动力摩擦和吸积过程加热地球内部。在这项工作中，我们计算的碰撞率和一小部分的黑洞，可以被困在地球内部。最后，我们比较了PBH碰撞与小行星撞击地球的危险性。
2021-09-27 astro-ph.CO astro-ph.EP gr-qc
Explaining the ANITA Anomaly with Inelastic Boosted Dark Matter
我们提出了一个新的物理方案，其中一个非常重的暗物质的候选人，不与中微子部门相互作用的衰变可以解释ANITA最近报告的两个异常事件。该模型由两个组成部分的暗物质，一个不稳定的暗扇区状态，和一个巨大的暗规范玻色子。我们假设EeV范围质量的较重的暗物质粒子分布在星系晕上，并在目前的宇宙中分裂成一对较轻的-高度增强的-到达并穿透地球的暗物质状态。后者将{ \it in}从核子上弹性散射，产生较重的暗扇区不稳定态，随后与强子一起衰变回较轻的暗物质，通过壳上/壳外暗规范玻色子诱发广泛的空气簇射。根据暗扇区内的质量等级，暗规范玻色子或不稳定的暗扇区粒子可以是长寿命的，因此可以通过地球传输。我们研究的信号的角分布，并表明，我们的模型有利于出现的角度范围内$\sim 25^\circ -35^\circ$，如果相关的参数选择承担的情况下，平均自由程的助推入射粒子是远远大于地球的直径，而其长寿命的衰变产物具有衰变长度的尺寸与地球半径相当。特别是，我们的模型避免了来自互补中微子搜索（如IceCube或Auger天文台）的任何限制。
2019-09-26 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
Aberration features in directional dark matter detection
地球围绕太阳的运动导致暗物质粒子到达地球的速度的大小和方向每年都发生变化，其方式类似于恒星光的畸变。在定向探测器中，弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的像差以一种依赖于地球轨道速度和WIMPs速度的局部星系分布的方式调制核反冲方向的图案。知道了前者，WIMP光行差可以提供关于后者的信息，除了是确认地球旋转和WIMP的外星起源的一种奇怪的方式。虽然观察完整的像差模式需要非常大的曝光量，但我们认为，平均反冲方向或特定立体角上的事件计数的年度变化可以用适度大的曝光量来检测。例如，被垂直于地球轨道的平面隔开的银河半球的积分计数将每年调制，导致银河半球年调制（GHAM）的幅度大于通常的非定向年调制。
2012-07-11 astro-ph.CO
Search for a Non-Relativistic Component in the Spectrum of Cosmic Rays at Earth
引力束缚在银河系中的暗物质粒子应该表现出一种特征性的速度分布，这种速度分布受到它们在地球位置处的逃逸速度（$v_{esc}\simeq$ 550 km/s）的限制。一个正在进行的搜索异常宇宙射线在地球上，运动学上类似于冷暗物质，描述。该技术可以区分这些和已知的缓慢移动的粒子，如中子，将是敏感的迹象，从目前尚未探索的候选人，并提供了可能性，确定中介类型的相互作用（核与电子反冲）。本文介绍了一个浅层地下场地的背景识别和消除研究。预期达到的方法进行了讨论，并说明了暗物质粒子轻于100 MeV/c $^{2}$通过核反冲相互作用的第一个限制。
2018-05-09 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Effect of inelastic scattering on cosmic-ray-boosted dark matter
本文利用 GENIE 的暗物质—原子核非弹性截面改进宇宙射线加速暗物质分析，表明非弹性散射会增强高能暗物质通量并影响地壳相互作用，进而修正暗物质—核子耦合限制。
2024-09-09 astro-ph.CO hep-ph
Dense Dark Matter Hairs Spreading Out from Earth, Jupiter and Other Compact Bodies
研究表明，致密的天体向外投射出一束束浓缩的暗物质细丝，此后简称为“毛发”。这些毛发是暗物质晕的细粒流结构的结果，因此构成了$Λ$ CDM的新物理预测。使用行星密度的分析模型和利用快速精确被积函数重正化（FAIR）算法（下面描述的快速测地线计算器）与现实的行星密度输入的数值模拟，暗物质流移动通过致密体显示产生极大放大的暗物质密度沿流速度轴穿过身体的中心。典型的头发密度增强是地球的$10^7$和木星的$10^8$。最大的增强发生在流经身体核心的粒子上，这些粒子主要集中在一个称为头发根部的点上。对于地球来说，根位于距离行星中心约$10^6$ ~km处，密度增强约为$10^9$，而对于像木星这样的气体巨星，根位于$10^{5}$ ~km处，密度增强约为$10^{11}$。在根部之外，头发的密度精确地反映了身体的密度层，提供了对行星内部的直接探测。
2015-10-23 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.HE
Gravitationally trapped axions on Earth
我们主张地球上存在一种全新的轴子产生机制，正如Fischer等人（2018）和Liang & Zhitnitsky（2018）最近提出的那样。我们特别关注在地球内产生轴子，速度很低，这样它们就会被困在引力场中。我们的计算是基于所谓的轴子夸克块金（AQN）的暗物质模型，这是最初发明来解释暗和可见宇宙物质密度的相似性。这发生在模型中，与轴子质量$m_\mathrm{a}$或初始失准角$θ_0$无关。当反物质AQN撞击地球时，与可见物质一起湮灭的AQN不可避免地会产生轴子。速度低于逃逸速度的轴子的发射率与整体发射相比非常微小，然而这些轴子将在地球45亿年的生命时间内积累，这大大提高了发现潜力。我们进行数值模拟与现实建模传入AQN的速度和质量分布，并探讨AQN如何相互作用，因为它们通过地球内部的旅行。我们用它来估计地球表面上的轴子通量，被困轴子的速度谱特征，典型的湮灭模式的AQN，和地球周围的轴子晕的密度分布。这些属性的知识是必要的，使使用CAST，ADMX，MADMAX，CULtASK，ORPHEUS，ARIADNE，CASPEr，ABRACADABRA，QUAX，DM Radio的可观测性的预测被困轴子。
2019-08-28 astro-ph.CO hep-ph
Now the Dark Electron Multiplier does sense direction of the daemon motion
我们用一个平面水平闪烁器在北半球高纬度（~ 60 °）的初级近地守护进程通量中检测9月最大值受到纯粹几何因素的困扰;事实上，由于地球的旋转轴倾斜，守护进程在近地外极近圆日心轨道（NEACHO）中追赶地球，沿着接近水平的路径撞击地球。然而，仅应用两个相反取向的、专门设计的TEU-167 d型“暗电子倍增器”，（只有直径为125 mm的前盘在内部涂有厚的~0.5 um Al层，这允许这种倍增器主要检测从底部到盘在它们内部飞行的守护程序）使我们有可能在一个实验中检测到，在>3 sigma的置信水平上，从近地天体观测卫星捕获到的进入地心地球表面穿越轨道的守护进程通量，以及记录这些物体在约1个月的特征时间内由于它们在穿越地球时减速而导致的速度从约10公里/秒下降到约7公里/秒。
2010-01-19 astro-ph.CO astro-ph.IM
Electromagnetic Signals of Inelastic Dark Matter Scattering
与标准模型热接触的亮暗扇区自然产生了观测到的遗迹暗物质丰度，并且是广泛的实验搜索计划的目标。一个关键的亮暗扇形模型是带有暗光子介质的伪狄拉克费米子。费米子激发态的动力学常被忽略。我们考虑的情况下，一个非平凡的丰富的激发态的产生和随后的去激发产生有趣的电磁信号在直接检测实验。我们研究了三种填充激发态的机制：一个原始的激发部分，一个组件在太阳上散射，和一个组件在地球上散射。我们发现，原始激发态的丰度分数一般在早期宇宙中消耗指数小的分数。尽管如此，在目前的暗物质搜索中，这种丰度可以产生可观察到的信号。具有热截面和更高的MeV级暗物质可以通过在太阳中激发后的向下散射来探测。地球中GeV级暗物质的向上散射可以在当前和即将进行的地面实验和X射线观测中产生信号。我们评论这些情况可能与最近XENON1T过剩有关。
2021-09-01 astro-ph.CO hep-ph
Searching for Earth/Solar Axion Halos
我们讨论了目前和不久的将来的轴子暗物质实验的轴子或类轴子粒子的引力束缚到地球或太阳的光环的敏感性。这种晕的存在，假设他们形成，呈现出显着的增益在轴子搜索的灵敏度，同时满足所有目前的实验界限。这些光环的结构和相干特性也意味着新的信号，这可能取决于纬度或方向的检测器。我们通过分析几种不同类型的轴子暗物质实验的灵敏度来证明这一点。
2021-01-27 astro-ph.CO hep-ph physics.atom-ph
Dark matter in the solar system I: The distribution function of WIMPs at the Earth from solar capture
下一代暗物质（DM）直接探测实验和中微子望远镜将探测大片的暗物质参数空间。为了解释这些实验中的信号，有必要有一个好的模型，既有晕DM流通过太阳系和DM的人口绑定到太阳系。在本文中，第一个在一系列的三个DM在太阳系中，我们提出了模拟的轨道DM绑定到太阳系的太阳能捕获在一个玩具太阳系中只包括太阳和木星，假设DM由一个单一的物种的弱相互作用大质量粒子（WIMP）。我们描述了如何绑定的WIMP人口的大小取决于WIMP质量，自旋无关的截面，和自旋相关的截面。使用银河DM晕的标准描述，我们发现，与当前实验对WIMP-核子截面的限制一致，直接探测事件率的最大增强相对于来自晕WIMP的事件率< 1%，而来自地球中心WIMP湮灭的中微子的事件率不太可能满足下一代km^3大小的阈值。（IceCube，KM 3 NeT）中微子望远镜。
2009-02-09 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
Curl up with a good $\mathbf B$: Detecting ultralight dark matter with differential magnetometry
针对高质量超轻暗物质全局磁场信号难建模的问题，提出通过测量地表磁场局域旋度探测超轻暗物质的方法，可在山丘附近实现，兼具噪声抑制能力，在特定频段对暗光子暗物质灵敏度地面最高，对类轴子暗物质灵敏度可比肩CAST。
2024-01-31 astro-ph.CO hep-ph
Dusty Dark Matter Bubbles of a New Vacuum stopped in Earth and Radiating 3.5 keV X-rays
提出暗物质由普通物质构成的新型真空气泡组成，并推测其相变与 Columbia plot 中夸克质量相关的相变有关。
2023-05-20 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
How blind are underground and surface detectors to strongly interacting Dark Matter?
在临界的暗物质-原子核散射截面之上，任何地面直接探测实验都失去了对暗物质的灵敏度，因为地壳、大气和潜在的屏蔽层开始阻挡暗物质粒子。这个临界截面通常通过描述暗物质粒子的平均能量损失来确定。然而，这种处理方法高估了地壳的阻止能力。因此，所获得的界限应被认为是保守的。我们进行蒙特卡罗模拟，以确定各种直接检测实验的临界截面的精确值，并将其与其他暗物质在低质量制度的限制。在这个区域中，我们发现典型的地下和地面探测器完全看不到暗物质的参数空间。参数空间中的这个“洞”很难随着探测器曝光的增加而闭合。专用的地面或高空实验可能是直接探测这部分参数空间的唯一方法。
2018-07-18 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Perspectives on fundamental cosmology from Low Earth Orbit and the Moon
下一代的太空实验将致力于寻找宇宙学中围绕着暴胀、暗物质和暗能量的关键问题的答案。欧洲航天局人类和机器人探索计划中的近地轨道和月球任务可以推动我们在这三个领域的知识发展。月球上的无线电干涉仪、低地球轨道上的冷原子干涉仪和月球上的引力波干涉仪被强调为中期计划和执行的最富有成效的飞行任务。
2023-02-07 astro-ph.CO physics.space-ph
Results of search for magnetized quark-nugget dark matter from radial impacts on Earth
磁化夸克块（MQN）是最近提出的暗物质候选者符合标准模型和Tatsumi的夸克块核理论的磁星。之前的出版物涵盖了它们在早期宇宙中的形成、在弱力衰变之前聚集成广泛的质量分布、通过磁层顶与正常物质的相互作用以及首次观察到一致的MQN，也就是说，几乎切向的碰撞将它们的表面磁场参数B_o从Tatsumi的值0.1到10.0 TT限制到新的值1.65 TT +/-百分之二十一MQN的质量分布和相互作用截面强烈地依赖于B_o。它们的磁层顶比它们的几何尺寸大得多，可以造成足够的能量沉积，形成非陨石坑，大约每年都有报告。我们报告的MQN能量沉积在水饱和的泥炭，软沉积物和花岗岩的计算机模拟，并报告挖掘这样一个陨石坑的结果。MQN撞击的观察结果和流体动力学模拟之间的五点一致性支持了与MQN暗物质一致的第二次观察结果，并提出了一种鉴定额外MQN事件的方法。结果还冗余地限制B_o大于0.4TT。
2021-04-26 astro-ph.CO astro-ph.EP gr-qc
Direct dark matter detection: The diurnal variation in directional experiments
本文介绍了与直接暗物质探测实验有关的一些理论结果，特别注意了定向实验，即不仅能观测到反冲核的能量而且能观测到反冲核的方向的实验。在定向实验中，检测率取决于线观测与太阳运动方向之间的角度。然而，由于观测的方向相对于地球是固定的，而地球绕着它的轴旋转，在定向实验中，观测方向和太阳运动方向之间的角度在白天会发生变化。因此，在这样的实验中观察到的信号将呈现出非常有趣的和特征性的周期性日变化。
2010-09-03 astro-ph.CO hep-ph nucl-th
Gravitational focusing effects on streaming dark matter as a new detection concept
Messiah University（梅西亚大学）；University of Patras（帕特雷大学）；University of Manchester（曼彻斯特大学）
本研究提出将太阳与地球对暗物质流的引力聚焦效应作为新探测思路，发现该效应会产生每日重复、持续约10秒的瞬态通量增强信号，为暗物质探测提供了新方向。
2023-12-05 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.IM
