Abstract
Due to the low nuclear recoils, sub-GeV dark matter (DM) is usually beyond the sensitivity of the conventional DM direct detection experiments. The boosted and Migdal scattering mechanisms have been proposed as two new complementary avenues to search for light DM. In this study, we consider the momentum-transfer effect in the DM-nucleus scattering to derive the new bounds on sub-GeV DM for these two scenarios. We show that such an effect is sizable so that the existing bounds on the DM-nucleus scattering cross section can be improved significantly.
Similar content being viewed by others
References
B. W. Lee, and S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 39, 165 (1977).
G. Jungman, M. Kamionkowski, and K. Griest, Phys. Rep. 267, 195 (1996).
L. Roszkowski, E. M. Sessolo, and S. Trojanowski, Rep. Prog. Phys. 81, 066201 (2018), arXiv: 1707.06277.
R. Essig, J. Mardon, and T. Volansky, Phys. Rev. D 85, 076007 (2012), arXiv: 1108.5383.
Y. Hochberg, Y. Zhao, and K. M. Zurek, Phys. Rev. Lett. 116, 011301 (2016), arXiv: 1504.07237.
R. Essig, M. Fernández-Serra, J. Mardon, A. Soto, T. Volansky, and T. T. Yu, J. High Energ. Phys. 2016, 46 (2016).
R. Essig, T. Volansky, and T. T. Yu, Phys. Rev. D 96, 043017 (2017), arXiv: 1703.00910.
S. Knapen, T. Lin, and K. M. Zurek, Phys. Rev. D 96, 115021 (2017), arXiv: 1709.07882.
G. Bertone, and T. M. P. Tait, Nature 562, 51 (2018), arXiv: 1810.01668.
T. Bringmann, and M. Pospelov, Phys. Rev. Lett. 122, 171801 (2019), arXiv: 1810.10543.
C. V. Cappiello, K. C. Y. Ng, and J. F. Beacom, Phys. Rev. D 99, 063004 (2019), arXiv: 1810.07705.
Y. Ema, F. Sala, and R. Sato, Phys. Rev. Lett. 122, 181802 (2019), arXiv: 1811.00520.
C. V. Cappiello, and J. F. Beacom, Phys. Rev. D 100, 103011 (2019), arXiv: 1906.11283 [Erratum: Phys. Rev. D 104, 069901 (2021)].
J. B. Dent, B. Dutta, J. L. Newstead, and I. M. Shoemaker, Phys. Rev. D 101, 116007 (2020), arXiv: 1907.03782.
K. Bondarenko, A. Boyarsky, T. Bringmann, M. Hufnagel, K. Schmidt-Hoberg, and A. Sokolenko, J. High Energ. Phys. 2020, 118 (2020).
W. Wang, L. Wu, J. M. Yang, H. Zhou, and B. Zhu, J. High Energ. Phys. 2020, 72 (2020) [Erratum: J. High Energ. Phys. 2021, 52 (2021)].
J. Smirnov, and J. F. Beacom, Phys. Rev. Lett. 125, 131301 (2020).
G. Guo, Y. L. S. Tsai, and M. R. Wu, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2020(10), 049 (2020), arXiv: 2004.03161.
S.-F. Ge, J.-L. Liu, Q. Yuan, and N. Zhou, arXiv: 2005.09480.
Q.-H. Cao, R. Ding, and Q.-F. Xiang, arXiv: 2006.12767.
G. Guo, Y. L. S. Tsai, M. R. Wu, and Q. Yuan, Phys. Rev. D 102, 103004 (2020), arXiv: 2008.12137.
C. Xia, Y.-H. Xu, and Y.-F. Zhou, arXiv: 2009.00353.
J. Alvey, M. D. Campos, M. Fairbairn, and T. You, Phys. Rev. Lett. 123, 261802 (2019), arXiv: 1905.05776.
L. Su, W. Wang, L. Wu, J. M. Yang, and B. Zhu, Phys. Rev. D 102, 115028 (2020), arXiv: 2006.11837.
A. Migdal, Sov. Phys. J. High Energ. Phys. 9, 1163 (1939).
J. D. Vergados, and H. Ejiri, Phys. Lett. B 606, 313 (2005), arXiv: hep-ph/0401151.
C. C. Moustakidis, J. D. Vergados, and H. Ejiri, Nucl. Phys. B 727, 406 (2005), arXiv: hep-ph/0507123.
R. Bernabei, P. Belli, F. Montecchia, F. Nozzoli, F. Cappella, A. Incicchitti, D. Prosperi, R. Cerulli, C. J. Dai, H. L. He, H. H. Kuang, J. M. Ma, X. D. Sheng, and Z. P. Ye, Int. J. Mod. Phys. A 22, 3155 (2007), arXiv: 0706.1421.
M. Ibe, W. Nakano, Y. Shoji, and K. Suzuki, J. High Energ. Phys. 2018, 194 (2018).
M. J. Dolan, F. Kahlhoefer, and C. McCabe, Phys. Rev. Lett. 121, 101801 (2018), arXiv: 1711.09906.
N. F. Bell, J. B. Dent, J. L. Newstead, S. Sabharwal, and T. J. Weiler, Phys. Rev. D 101, 015012 (2020), arXiv: 1905.00046.
D. Baxter, Y. Kahn, and G. Krnjaic, Phys. Rev. D 101, 076014 (2020), arXiv: 1908.00012.
R. Essig, J. Pradler, M. Sholapurkar, and T. T. Yu, Phys. Rev. Lett. 124, 021801 (2020), arXiv: 1908.10881.
Z. L. Liang, L. Zhang, F. Zheng, and P. Zhang, Phys. Rev. D 102, 043007 (2020), arXiv: 1912.13484.
K. D. Nakamura, K. Miuchi, S. Kazama, Y. Shoji, M. Ibe, and W. Nakano, Prog. Theor. Exp. Phys. 2021, 013C01 (2021), arXiv: 2009.05939.
G. G. di Cortona, A. Messina, and S. Piacentini, J. High Energ. Phys. 2020, 034 (2020).
U. K. Dey, T. N. Maity, and T. S. Ray, Phys. Lett. B 811, 135900 (2020), arXiv: 2006.12529.
C. P. Liu, C. P. Wu, H. C. Chi, and J. W. Chen, Phys. Rev. D 102, 121303 (2020), arXiv: 2007.10965.
S. Knapen, J. Kozaczuk, and T. Lin, Phys. Rev. Lett. 127, 081805 (2021), arXiv: 2011.09496.
Z. L. Liang, C. Mo, F. Zheng, and P. Zhang, Phys. Rev. D 104, 056009 (2021), arXiv: 2011.13352.
H. J. He, Y. C. Wang, and J. Zheng, Phys. Rev. D 104, 115033 (2021), arXiv: 2012.05891.
M. Pospelov, A. Ritz, and M. Voloshin, Phys. Lett. B 662, 53 (2008), arXiv: 0711.4866.
N. Arkani-Hamed, D. P. Finkbeiner, T. R. Slatyer, and N. Weiner, Phys. Rev. D 79, 015014 (2009), arXiv: 0810.0713.
J. L. Feng, H. Tu, and H. B. Yu, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2008(10), 043 (2008), arXiv: 0808.2318.
C. Bœhm, and P. Fayet, Nucl. Phys. B 683, 219 (2004), arXiv: hep-ph/0305261.
H. An, M. Pospelov, J. Pradler, and A. Ritz, Phys. Rev. Lett. 120, 141801 (2018), arXiv: 1708.03642 [Erratum: Phys. Rev. Lett. 121, 259903 (2018)].
H. B. T. Tan, A. Derevianko, V. A. Dzuba, and V. V. Flambaum, Phys. Rev. Lett. 127, 081301 (2021), arXiv: 2105.08296.
B. Batell, A. Freitas, A. Ismail, and D. McKeen, Phys. Rev. D 100, 095020 (2019), arXiv: 1812.05103.
M. J. Boschini, S. D. Torre, M. Gervasi, D. Grandi, G. Jóhannesson, M. Kachelriess, G. L. Vacca, N. Masi, I. V. Moskalenko, E. Orlando, S. S. Ostapchenko, S. Pensotti, T. A. Porter, L. Quadrani, P. G. Rancoita, D. Rozza, and M. Tacconi, Astrophys. J. 840, 115 (2017), arXiv: 1704.06337.
G. Duda, A. Kemper, and P. Gondolo, J. Cosmol. Astropart. Phys. 04, 012 (2007).
S. Adler, M. Aoki, M. Ardebili, M. S. Atiya, A. O. Bazarko, P. C. Bergbusch, B. Bhuyan, E. W. Blackmore, D. A. Bryman, I. H. Chiang, M. R. Convery, M. V. Diwan, J. S. Frank, J. S. Haggerty, T. Inagaki, M. Ito, V. Jain, D. E. Jaffe, S. Kabe, M. Kazumori, S. H. Kettell, P. Kitching, M. Kobayashi, T. K. Komatsubara, A. Konaka, Y. Kuno, M. Kuriki, T. F. Kycia, K. K. Li, L. S. Littenberg, D. R. Marlow, R. A. McPherson, J. A. Macdonald, P. D. Meyers, J. Mildenberger, N. Muramatsu, T. Nakano, C. Ng, S. Ng, T. Numao, J. M. Poutissou, R. Poutissou, G. Redlinger, T. Sasaki, T. Sato, T. Shinkawa, F. C. Shoemaker, A. J. S. Smith, R. Soluk, J. R. Stone, R. C. Strand, S. Sugimoto, Y. Yoshimura, and C. Witzig, Phys. Lett. B 537, 211 (2002).
S. Adler, M. Aoki, M. Ardebili, M. S. Atiya, A. O. Bazarko, P. C. Bergbusch, B. Bhuyan, E. W. Blackmore, D. A. Bryman, I. H. Chiang, M. R. Convery, M. V. Diwan, J. S. Frank, J. S. Haggerty, T. Inagaki, M. M. Ito, V. Jain, D. E. Jaffe, S. Kabe, M. Kazumori, S. H. Kettell, P. Kitching, M. Kobayashi, T. K. Komatsubara, A. Konaka, Y. Kuno, M. Kuriki, T. F. Kycia, K. K. Li, L. S. Littenberg, J. A. MacDonald, R. A. McPherson, P. D. Meyers, J. Mildenberger, N. Muramatsu, T. Nakano, C. Ng, S. Ng, T. Numao, A. Otomo, J. M. Poutissou, R. Poutissou, G. Redlinger, T. Sasaki, T. Sato, T. Shinkawa, F. C. Shoemaker, A. J. S. Smith, R. Soluk, J. R. Stone, R. C. Strand, S. Sugimoto, C. Witzig, and Y. Yoshimura, Phys. Rev. D 70, 037102 (2004), arXiv: hep-ex/0403034.
S. Adler, V. V. Anisimovsky, M. Aoki, M. Ardebili, A. V. Artamonov, M. Atiya, B. Bassalleck, A. O. Bazarko, B. Bhuyan, E. W. Blackmore, D. A. Bryman, S. Chen, I. H. Chiang, I. A. Christidi, M. R. Convery, P. S. Cooper, M. V. Diwan, J. S. Frank, T. Fujiwara, J. Haggerty, J. Hu, T. Inagaki, M. M. Ito, A. P. Ivashkin, D. E. Jaffe, S. Kabe, M. Kazumori, Y. Kuno, M. Kuriki, S. H. Kettell, M. M. Khabibullin, A. N. Khotjantsev, P. Kitching, M. Kobayashi, T. K. Komatsubara, A. Konaka, A. P. Kozhevnikov, Y. G. Kudenko, A. Kushnirenko, L. G. Landsberg, B. Lewis, K. K. Li, L. S. Littenberg, J. A. MacDonald, D. R. Marlow, R. A. McPherson, P. D. Meyers, J. Mildenberger, O. V. Mineev, M. Miyajima, K. Mizouchi, V. A. Mukhin, N. Muramatsu, T. Nakano, M. Nomachi, T. Nomura, T. Numao, V. F. Obraztsov, K. Omata, D. I. Patalakha, S. V. Petrenko, R. Poutissou, E. J. Ramberg, G. Redlinger, T. Sato, T. Sekiguchi, T. Shinkawa, F. C. Shoemaker, A. J. S. Smith, J. R. Stone, R. C. Strand, S. Sugimoto, Y. Tamagawa, R. Tschirhart, T. Tsunemi, D. V. Vavilov, B. Viren, N. V. Yershov, Y. Yoshimura, and T. Yoshioka, Phys. Rev. D 77, 052003 (2008), arXiv: 0709.1000.
A. V. Artamonov, B. Bassalleck, B. Bhuyan, E. W. Blackmore, D. A. Bryman, S. Chen, I. H. Chiang, I. A. Christidi, P. S. Cooper, M. V. Diwan, J. S. Frank, T. Fujiwara, J. Hu, J. Ives, D. E. Jaffe, S. Kabe, S. H. Kettell, M. M. Khabibullin, A. N. Khotjantsev, P. Kitching, M. Kobayashi, T. K. Komatsubara, A. Konaka, A. P. Kozhevnikov, Y. G. Kudenko, A. Kushnirenko, L. G. Landsberg, B. Lewis, K. K. Li, L. S. Littenberg, J. A. MacDonald, J. Mildenberger, O. V. Mineev, M. Miyajima, K. Mizouchi, V. A. Mukhin, N. Muramatsu, T. Nakano, M. Nomachi, T. Nomura, T. Numao, V. F. Obraztsov, K. Omata, D. I. Patalakha, S. V. Petrenko, R. Poutissou, E. J. Ramberg, G. Redlinger, T. Sato, T. Sekiguchi, T. Shinkawa, R. C. Strand, S. Sugimoto, Y. Tamagawa, R. Tschirhart, T. Tsunemi, D. V. Vavilov, B. Viren, Z. Wang, N. V. Yershov, Y. Yoshimura, and T. Yoshioka, Phys. Rev. D 79, 092004 (2009), arXiv: 0903.0030.
A. A. Aguilar-Arevalo, M. Backfish, A. Bashyal, B. Batell, B. C. Brown, R. Carr, A. Chatterjee, R. L. Cooper, P. de Niverville, R. Dharmapalan, Z. Djurcic, R. Ford, F. G. Garcia, G. T. Garvey, J. Grange, J. A. Green, E. C. Huang, W. Huelsnitz, I. L. de Icaza Astiz, G. Karagiorgi, T. Katori, W. Ketchum, T. Kobilarcik, Q. Liu, W. C. Louis, W. Marsh, C. D. Moore, G. B. Mills, J. Mirabal, P. Nienaber, Z. Pavlovic, D. Perevalov, H. Ray, B. P. Roe, M. H. Shaevitz, S. Shahsavarani, I. Stancu, R. Tayloe, C. Taylor, R. T. Thornton, R. G. Van de Water, W. Wester, D. H. White, and J. Yu, Phys. Rev. D 98, 112004 (2018), arXiv: 1807.06137.
E. Aprile, et al. (XENON Collaboration), Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018), arXiv: 1805.12562.
V. Gluscevic, and K. K. Boddy, Phys. Rev. Lett. 121, 081301 (2018), arXiv: 1712.07133.
W. L. Xu, C. Dvorkin, and A. Chael, Phys. Rev. D 97, 103530 (2018), arXiv: 1802.06788.
J. Ooba, H. Tashiro, and K. Kadota, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2019(9), 020 (2019), arXiv: 1902.00826.
R. Essig, A. Manalaysay, J. Mardon, P. Sorensen, and T. Volansky, Phys. Rev. Lett. 109, 021301 (2012), arXiv: 1206.2644.
B. M. Roberts, V. A. Dzuba, V. V. Flambaum, M. Pospelov, and Y. V. Stadnik, Phys. Rev. D 93, 115037 (2016), arXiv: 1604.04559.
R. Catena, T. Emken, N. A. Spaldin, and W. Tarantino, Phys. Rev. Res. 2, 033195 (2020), arXiv: 1912.08204.
E. Aprile, et al. (XENON Collaboration), Phys. Rev. Lett. 123, 251801 (2019), arXiv: 1907.11485.
A. Berlin, and N. Blinov, Phys. Rev. Lett. 120, 021801 (2018), arXiv: 1706.07046.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding authors
Additional information
Lei Wu was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12275134). Bin Zhu was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12275232), and the Natural Science Foundation of Shandong Province (Grant No. ZR2018QA007). Victor V. Flambaum was supported by the Australian Research Council (Grant Nos. DP190100974, and DP200100150). We are grateful to Ben Roberts for a useful discussion.
Supporting Information
The supporting information is available online at http://phys.scichina.com and https://link.springer.com. The supporting materials are published as submitted, without typesetting or editing. The responsibility for scientific accuracy and content remains entirely with the authors.
Supplemental Material
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Flambaum, V.V., Su, L., Wu, L. et al. New strong bounds on sub-GeV dark matter from boosted and Migdal effects. Sci. China Phys. Mech. Astron. 66, 271011 (2023). https://doi.org/10.1007/s11433-022-2090-7
Received:
Accepted:
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-022-2090-7