Implications of the Gaia sausage for dark matter nuclear interactions

被引:19
作者
Buch, Jatan [1 ]
Fan, JiJi [1 ]
Leung, John Shing Chau [1 ]
机构
[1] Brown Univ, Dept Phys, Providence, RI 02912 USA
基金
美国国家科学基金会;
关键词
STELLAR HALO; MILKY; SAGITTARIUS; STREAMS; GALAXY; FIELD;
D O I
10.1103/PhysRevD.101.063026
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
The advent of the Gala era has led to potentially revolutionary understanding of dark matter (DM) dynamics in our galaxy, which has important consequences for direct detection (DD) experiments. In this paper, we study how the empirical DM velocity distribution inferred from Gaia-sausage, a dominant substructure in the solar neighborhood, affects the interpretation of DD data. We survey different classes of operators in the nonrelativistic effective field theory that could arise from several relativistic benchmark models and emphasize that the Gaia velocity distribution could modify both the total number of events as well as the shape of the differential recoil spectra, the two primary observables in DD experiments. Employing the Euclideanized signal method, we investigate the effects of the Gaia distribution on reconstructing DM model parameters and identifying the correct DM model given a positive signal at future DD experiments. We find that for light DM with mass similar to 10 GeV, the Gaia distribution poses an additional challenge for characterizing DM interactions with ordinary matter, which may be addressed by combining complementary DD experiments with different targets and lowering the detection threshold. Meanwhile, for heavy DM with mass above similar to 30 GeV, depending on the type of DM model, there could be a (moderate) improvement in the sensitivity at future DD experiments.
引用
收藏
页数:22
相关论文
共 104 条
[1]   DARWIN: towards the ultimate dark matter detector [J].
Aalbers, J. ;
Agostini, F. ;
Alfonsi, M. ;
Amaro, F. D. ;
Amsler, C. ;
Aprile, E. ;
Arazi, L. ;
Arneodo, F. ;
Barrow, P. ;
Baudis, L. ;
Benabderrahmane, M. L. ;
Berger, T. ;
Beskers, B. ;
Breskin, A. ;
Breur, P. A. ;
Brown, A. ;
Brown, E. ;
Bruenner, S. ;
Bruno, G. ;
Budnik, R. ;
Butikofer, L. ;
Calven, J. ;
Cardoso, J. M. R. ;
Cichon, D. ;
Coderre, D. ;
Colijn, A. P. ;
Conrad, J. ;
Cussonneau, J. P. ;
Decowski, M. P. ;
Diglio, S. ;
Drexlin, G. ;
Duchovni, E. ;
Erdal, E. ;
Eurin, G. ;
Ferella, A. ;
Fieguth, A. ;
Fulgione, W. ;
Rosso, A. Gallo ;
Di Gangi, P. ;
Di Giovanni, A. ;
Galloway, M. ;
Garbini, M. ;
Geis, C. ;
Glueck, F. ;
Grandi, L. ;
Greene, Z. ;
Grignon, C. ;
Hasterok, C. ;
Hannen, V. ;
Hogenbirk, E. .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2016, (11)
[2]   DarkSide-20k: A 20 tonne two-phase LAr TPC for direct dark matter detection at LNGS [J].
Aalseth, C. E. ;
Acerbi, F. ;
Agnes, P. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alici, A. ;
Alton, A. K. ;
Antonioli, P. ;
Arcelli, S. ;
Ardito, R. ;
Arnquist, I. J. ;
Asner, D. M. ;
Ave, M. ;
Back, H. O. ;
Barrado Olmedo, A. I. ;
Batignani, G. ;
Bertoldo, E. ;
Bettarini, S. ;
Bisogni, M. G. ;
Bocci, V. ;
Bondar, A. ;
Bonfini, G. ;
Bonivento, W. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Boulay, M. ;
Bunker, R. ;
Bussino, S. ;
Buzulutskov, A. ;
Cadeddu, M. ;
Cadoni, M. ;
Caminata, A. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Cantini, C. ;
Caravati, M. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Carpinelli, M. ;
Castellani, A. ;
Catalanotti, S. ;
Cataudella, V. ;
Cavalcante, P. ;
Cavuoti, S. ;
Cereseto, R. ;
Chepurnov, A. ;
Cicalo, C. ;
Cifarelli, L. ;
Citterio, M. ;
Cocco, A. G. .
EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL PLUS, 2018, 133 (03)
[3]   Low-Mass Dark Matter Search with the DarkSide-50 Experiment [J].
Agnes, P. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Araujo, G. R. ;
Asner, D. M. ;
Ave, M. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Batignani, G. ;
Biery, K. ;
Bocci, V. ;
Bonfini, G. ;
Bonivento, W. ;
Bottino, B. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Caminata, A. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Caravati, M. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Carpinelli, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cataudella, V. ;
Cavalcante, P. ;
Cavuoti, S. ;
Cereseto, R. ;
Chepurnov, A. ;
Cicalo, C. ;
Cifarelli, L. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
D'Urso, D. ;
Davini, S. ;
De Candia, A. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Filippis, G. ;
De Rosa, G. ;
De Vincenzi, M. ;
Demontis, P. ;
Derbin, A. V. ;
Devoto, A. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 121 (08)
[4]   First results from the DarkSide-50 dark matter experiment at Laboratori Nazionali del Gran Sasso [J].
Agnes, P. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. ;
Arisaka, K. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bonfini, G. ;
Bossa, M. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Cadonati, L. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Cao, H. ;
Cariello, M. ;
Cavalcante, P. ;
Chavarria, A. ;
Chepurnov, A. ;
Cocco, A. G. ;
Crippa, L. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
De Deo, M. ;
Derbin, A. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Forster, G. ;
Franco, D. ;
Gabriele, F. ;
Galbiati, C. ;
Goretti, A. ;
Grandi, L. ;
Gromov, M. ;
Guan, M. Y. ;
Guardincerri, Y. ;
Hackett, B. ;
Herner, K. ;
Hungerford, E. V. ;
Ianni, Al. ;
Ianni, An. .
PHYSICS LETTERS B, 2015, 743 :456-466
[5]   Results from the Super Cryogenic Dark Matter Search Experiment at Soudan [J].
Agnese, R. ;
Aramaki, T. ;
Arnquist, I. J. ;
Baker, W. ;
Balakishiyeva, D. ;
Banik, S. ;
Barker, D. ;
Thakur, R. Basu ;
Bauer, D. A. ;
Binder, T. ;
Bowles, M. A. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Calkins, R. ;
Cartaro, C. ;
Cerdeno, D. G. ;
Chang, Y. ;
Chen, Y. ;
Cooley, J. ;
Cornell, B. ;
Cushman, P. ;
Daal, M. ;
Di Stefano, P. C. F. ;
Doughty, T. ;
Fascione, E. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Fritts, M. ;
Gerbier, G. ;
Germond, R. ;
Ghaith, M. ;
Godfrey, G. L. ;
Golwala, S. R. ;
Hall, J. ;
Harris, H. R. ;
Hong, Z. ;
Hoppe, E. W. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Iyer, V. ;
Jardin, D. ;
Jastram, A. ;
Jena, C. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Kubik, A. ;
Kurinsky, N. A. ;
Loer, B. ;
Asamar, E. Lopez .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 120 (06)
[6]   Projected sensitivity of the SuperCDMS SNOLAB experiment [J].
Agnese, R. ;
Anderson, A. J. ;
Aramaki, T. ;
Arnquist, I. ;
Baker, W. ;
Barker, D. ;
Thakur, R. Basu ;
Bauer, D. A. ;
Borgland, A. ;
Bowles, M. A. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Calkins, R. ;
Cartaro, C. ;
Cerdeno, D. G. ;
Chagani, H. ;
Chen, Y. ;
Cooley, J. ;
Cornell, B. ;
Cushman, P. ;
Daal, M. ;
Di Stefano, P. C. F. ;
Doughty, T. ;
Esteban, L. ;
Fallows, S. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Fritts, M. ;
Gerbier, G. ;
Ghaith, M. ;
Godfrey, G. L. ;
Golwala, S. R. ;
Hall, J. ;
Harris, H. R. ;
Hofer, T. ;
Holmgren, D. ;
Hong, Z. ;
Hoppe, E. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Iyer, V. ;
Jardin, D. ;
Jastram, A. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Kubik, A. ;
Kurinsky, N. A. ;
Leder, A. ;
Loer, B. .
PHYSICAL REVIEW D, 2017, 95 (08)
[7]   Projected WIMP sensitivity of the LUX-ZEPLIN dark matter experiment [J].
Akerib, D. S. ;
Akerlof, C. W. ;
Alsum, S. K. ;
Araujo, H. M. ;
Arthurs, M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Balashov, S. ;
Bauer, D. ;
Belle, J. ;
Beltrame, P. ;
Benson, T. ;
Bernard, E. P. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boast, K. E. ;
Boxer, B. ;
Bras, P. ;
Buckley, J. H. ;
Bugaev, V. V. ;
Burdin, S. ;
Busenitz, J. K. ;
Carels, C. ;
Carlsmith, D. L. ;
Carlson, B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Cherwinka, J. J. ;
Cole, A. ;
Cottle, A. ;
Craddock, W. W. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Dahl, C. E. ;
de Viveiros, L. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edberg, T. K. ;
Edwards, W. R. ;
Fan, A. ;
Fayer, S. ;
Fiorucci, S. ;
Fruth, T. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
van der Grinten, M. G. D. ;
Hall, C. R. .
PHYSICAL REVIEW D, 2020, 101 (05)
[8]   Results from a Search for Dark Matter in the Complete LUX Exposure [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bramante, R. ;
Bras, P. ;
Byram, D. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Chiller, A. A. ;
Chiller, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Faham, C. H. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Gehman, V. M. ;
Ghag, C. ;
Gibson, K. R. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. R. ;
Hanhardt, M. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Ihm, M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lee, C. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 118 (02)
[9]   Dark Matter Search Results from the PICO-2L C3F8 Bubble Chamber [J].
Amole, C. ;
Ardid, M. ;
Asner, D. M. ;
Baxter, D. ;
Behnke, E. ;
Bhattacharjee, P. ;
Borsodi, H. ;
Bou-Cabo, M. ;
Brice, S. J. ;
Broemmelsiek, D. ;
Clark, K. ;
Collar, J. I. ;
Cooper, P. S. ;
Crisler, M. ;
Dahl, C. E. ;
Daley, S. ;
Das, M. ;
Debris, F. ;
Dhungana, N. ;
Farine, J. ;
Felis, I. ;
Filgas, R. ;
Fines-Neuschild, M. ;
Girard, F. ;
Giroux, G. ;
Hai, M. ;
Hall, J. ;
Harris, O. ;
Jackson, C. M. ;
Jin, M. ;
Krauss, C. B. ;
Lafreniere, M. ;
Laurin, M. ;
Lawson, I. ;
Levine, I. ;
Lippincott, W. H. ;
Mann, E. ;
Martin, J. P. ;
Maurya, D. ;
Mitra, P. ;
Neilson, R. ;
Noble, A. J. ;
Plante, A. ;
Podviianiuk, R. B. ;
Priya, S. ;
Robinson, A. E. ;
Ruschman, M. ;
Scallon, O. ;
Seth, S. ;
Sonnenschein, A. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2015, 114 (23)
[10]   Contributions to the accreted stellar halo: an atlas of stellar deposition [J].
Amorisco, N. C. .
MONTHLY NOTICES OF THE ROYAL ASTRONOMICAL SOCIETY, 2017, 464 (03) :2882-2895