端热暗物质与轻暗光子及LUX--ZEPLIN高能核反冲候选事例
Endothermic dark matter with a light dark photon and the LUX-ZEPLIN high-energy nuclear-recoil candidate
- Adelaide University（阿德莱德大学）
- University of Melbourne（墨尔本大学）
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AI总结：
研究LZ实验高能核反冲候选事例，提出端热暗物质与轻暗光子模型，通过全局参数扫描解释事例并满足relic丰度，预测基准点事例数，并讨论宇宙学约束及加速器检验前景。
AI中文摘要：
LUX-ZEPLIN（LZ）实验报告了一个能量为$E_{\rm nr}=248\pm23_{\rm stat}\pm23_{\rm sys}\\,{\rm keV}$的单一核反冲候选事例。我们研究了该事例是否可由与动力学混合暗光子耦合的端热非弹性暗物质解释，同时再现观测到的暗物质 relic 丰度。通过对五个模型参数进行全局扫描，将 LZ 高能似然函数的仅能量重铸与 relic 密度似然函数相结合，我们发现了一个优选参数区域，其中暗物质质量在 TeV 量级，质量劈裂为几百 keV，暗光子质量在 GeV 量级。高反冲能量要求劈裂接近运动学阈值，因此信号由晕的高速度尾部提供，而隔离湮灭机制固定了暗规范耦合，该耦合在很大程度上独立于动力学混合。基准点预测在候选能量处有 1 个接受事例，且$\Omega h^2=0.120$。优选的劈裂低于$e^+e^-$阈值，关闭了最快的衰变通道，留下长寿命的激发态。其存留的粒子数受到来自能量注入的严格宇宙学约束，并且还能产生额外的放热散射信号，使得晚期丰度成为最小模型的重要一致性条件。一个五维跃迁偶极子提供了一种简单的方法来有效消耗$\chi_2$，而不改变 relic 丰度或端热 LZ 信号。相应的轻暗光子情景在加速器搜索中仍然可检验，包括未来的 LHCb、Belle II 和 SHiP 实验。
英文摘要：
The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment has reported an inelastic nuclear-recoil candidate at $E_{\rm nr}=248\pm23_{\rm stat}\pm23_{\rm sys}\,{\rm keV}$. We test whether endothermic pseudo-Dirac dark matter coupled to a kinetically mixed dark photon can account for this event while reproducing the observed relic abundance. A five-parameter fit using an energy-only LZ likelihood and a relic-density likelihood favors TeV-scale dark matter with a mass splitting of a few hundred keV, and a GeV-scale mediator. The recoil energy places the splitting near its kinematic ceiling, while secluded annihilation fixes the dark gauge coupling to a good approximation as a function of the dark-matter mass. Representative points predict $\mathcal{O}(1)$ accepted LZ event candidate and the observed DM relic density. Because the preferred splitting lies below the $e^+e^-$ threshold, the viability of the minimal model depends on the late-time excited-state abundance; a transition dipole can provide additional depletion, and the required light mediator remains testable in accelerator searches.
