Detection of Millicharged Dark Matter in Underground Detectors

Abstract

Milliladede partikler er mulige kandidater i søket etter mørk materie, og de kan produseres i kosmiske stråleinteraksjoner via forfall av mesoner. Fra den kosmiske meson-fluksen finner vi den tilsvarende fluksen av milliladede partikler som kan detekteres i underjordiske detektorer. Fra disse resultatene konstruerer vi et ekslusjonsplot i masse-ladningsplanet til de milliladede partiklene, som innsnevrer deres mulige parameter-rom og dermed tar oss ett steg videre i søket etter milliladet mørk materie. For å forbedre disse resultatene undersøker vi energitapet for milliladede partikler med ulike ladninger, masser og energier når de traverserer jorden på vei mot en underjordisk detektor fra ulike vinkler. Vi fokuserer på prosessene for milliladede partikler som spres av elektroner og atomkjerner. Som et tilleggsresultat begynner vi å utforske energitapet forårsaket av bremsestråling. Resultatene våre viser at i det allerede utelukkede området av de milliladede partiklenes parameter-rom er det rimelig å anta at milliladede partikler kun når en underjordisk detektor ovenfra. For området som fortsatt er åpent burde man i tillegg ta oppadgående milliladede partikler med i betraktning.

Millicharged particles are possible candidates in the search for dark matter, and they can be produced in cosmic ray interactions via meson decays. From the cosmic ray meson flux, we find the corresponding flux of millicharged particles that can be detected in underground detectors. From these results we construct an exclusion plot in the mass-charge plane of the millicharged particles, narrowing their possible parameter space and thus moving one step further in the search for millicharged dark matter. To improve these results we investigate the energy loss experienced by millicharged particles of different charges, masses, and incoming energies traversing the Earth toward an underground detector from all angles. We focus on the 2→2 processes of millicharged particles scattering off electrons and nuclei. As an additional result, we present initial investigations of the 2→3 process of bremsstrahlung. We find that in the already excluded region, assuming only downward-moving millicharged particles is reasonable. However, for the still open region the contribution from upward-moving particles should also be considered.