Dark Matter Internal Pair Production: A Novel Direct Detection Mechanism

암흑물질(Dark Matter)은 우주 전체 물질의 대부분을 차지하지만, 그 정체는 여전히 밝혀지지 않았다. 기존의 탐색은 WIMP(약하게 상호작용을 하는 무거운 입자)에 집중되었으나 뚜렷한 신호가 관측되지 않았고, 이에 따라 최근에는 sub-GeV 범위의 암흑물질과 새로운 포털 입자를 통한 상호작용이 주목받고 있다. 이러한 입자들은 고강도 빔덤프 실험을 통해 활발히 탐색 되고 있지만, 기존 기법의 한계를 보완할 새로운 검출 방식이 요구된다.

이 논문은 암흑물질 내부 쌍생성(Dark Matter Internal Pair Production, DIPP)이라는 새로운 검출 메커니즘을 제안한다. 이는 고에너지 암흑물질이 원자핵과 상호작용을 하면서 가상 광자를 매개로 전자-양전자 또는 뮤온-반뮤온 쌍을 생성하는 과정으로, 중성미자 트라이던트(neutrino trident) 현상과 유사하다. 저자들은 DUNE ND와 DarkQuest 같은 실험에서 DIPP가 다양한 암흑물질 모델을 높은 감도로 탐색할 수 있음을 보였으며, DIPP는 표준모형 배경에 덜 민감하고 전자, 뮤온, 쿼크 등 특정 성분과의 상호작용을 구분할 수 있다는 장점이 있다. 이는 기존 탐색 방식과 상호보완적으로 작용하며, 새로운 암흑물질 검출 가능성을 제시한다.

We introduce a new dark matter detection mechanism, dark matter internal pair production (DIPP), to detect dark matter candidates at beam dump facilities. When energetic dark matter scatters in a material, it can create a lepton-antilepton pair by exchanging a virtual photon with the nucleus, akin to the neutrino trident process. We demonstrate this process for dark matter coupled to dark photons in experiments such as DarkQuest, SBND, and DUNE ND. Since the lepton-antilepton pair carries a significant fraction of dark matter energy, it can be clearly distinguished from backgrounds. Utilizing the above features, we show that DIPP is highly effective at probing various dark matter models, particularly at DUNE ND and DarkQuest, by searching for electron-positron and muon-antimuon signatures. At DUNE ND, we find that the sensitivity of DIPP extends over a larger parameter space than the existing limits from electron and nuclear recoil. Additionally, we explore a scenario where dark sector couplings involve quarks and muons only, demonstrating that DIPP can probe a wide variety of dark matter models with different final states.

이 연구결과는 Physical Review Letters지에 2025년 7월 2일 발표되었다.

교신저자: 김현용 (서울대학교), B. Dutta, A. Karthikeyan, and M. Rai (Texas A&M University)

PRL 135, 011804 (2025) https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/ry3x-dw48

그림설명 : 암흑 물질의 탐색 Sensitivity: 암흑광자와 상호작용(왼쪽), 암흑메신져 Z’와 상호작용 (오른쪽) @ DUNE ND, DarkQust 실험