European Physical Journal C: Particles and Fields (Nov 2024)
Constraints on self-interaction cross-sections of dark matter in universal bound states from direct detection
- G. Angloher,
- S. Banik,
- G. Benato,
- A. Bento,
- A. Bertolini,
- R. Breier,
- C. Bucci,
- J. Burkhart,
- E. Cipelli,
- L. Canonica,
- A. D’Addabbo,
- S. Di Lorenzo,
- L. Einfalt,
- A. Erb,
- F. v. Feilitzsch,
- S. Fichtinger,
- D. Fuchs,
- A. Garai,
- V. M. Ghete,
- P. Gorla,
- P. V. Guillaumon,
- S. Gupta,
- D. Hauff,
- M. Ješkovský,
- J. Jochum,
- M. Kaznacheeva,
- A. Kinast,
- S. Kuckuk,
- H. Kluck,
- H. Kraus,
- A. Langenkämper,
- M. Mancuso,
- L. Marini,
- B. Mauri,
- L. Meyer,
- V. Mokina,
- M. Olmi,
- T. Ortmann,
- C. Pagliarone,
- L. Pattavina,
- F. Petricca,
- W. Potzel,
- P. Povinec,
- F. Pröbst,
- F. Pucci,
- F. Reindl,
- J. Rothe,
- K. Schäffner,
- J. Schieck,
- S. Schönert,
- C. Schwertner,
- M. Stahlberg,
- L. Stodolsky,
- C. Strandhagen,
- R. Strauss,
- I. Usherov,
- F. Wagner,
- V. Wagner,
- V. Zema,
- CRESST Collaboration
Affiliations
- G. Angloher
- Max-Planck-Institut für Physik
- S. Banik
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- G. Benato
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- A. Bento
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. Bertolini
- Max-Planck-Institut für Physik
- R. Breier
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- C. Bucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- J. Burkhart
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- E. Cipelli
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Canonica
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. D’Addabbo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- S. Di Lorenzo
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Einfalt
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- A. Erb
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- F. v. Feilitzsch
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- S. Fichtinger
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- D. Fuchs
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. Garai
- Max-Planck-Institut für Physik
- V. M. Ghete
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- P. Gorla
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- P. V. Guillaumon
- Max-Planck-Institut für Physik
- S. Gupta
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- D. Hauff
- Max-Planck-Institut für Physik
- M. Ješkovský
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- J. Jochum
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- M. Kaznacheeva
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- A. Kinast
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- S. Kuckuk
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- H. Kluck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- H. Kraus
- Department of Physics, University of Oxford
- A. Langenkämper
- Max-Planck-Institut für Physik
- M. Mancuso
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Marini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- B. Mauri
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Meyer
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- V. Mokina
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- M. Olmi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- T. Ortmann
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- C. Pagliarone
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- L. Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- F. Petricca
- Max-Planck-Institut für Physik
- W. Potzel
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- P. Povinec
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- F. Pröbst
- Max-Planck-Institut für Physik
- F. Pucci
- Max-Planck-Institut für Physik
- F. Reindl
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- J. Rothe
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- K. Schäffner
- Max-Planck-Institut für Physik
- J. Schieck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- S. Schönert
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- C. Schwertner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- M. Stahlberg
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Stodolsky
- Max-Planck-Institut für Physik
- C. Strandhagen
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- R. Strauss
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- I. Usherov
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- F. Wagner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- V. Wagner
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- V. Zema
- Max-Planck-Institut für Physik
- CRESST Collaboration
- DOI
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-024-13472-4
- Journal volume & issue
-
Vol. 84,
no. 11
pp. 1 – 7
Abstract
Abstract $$\varLambda $$ Λ -Cold Dark Matter ( $$\varLambda $$ Λ CDM) has been successful at explaining the large-scale structures in the universe but faces severe issues on smaller scales when compared to observations. Introducing self-interactions between dark matter particles claims to provide a solution to the small-scale issues in the $$\varLambda $$ Λ CDM simulations while being consistent with the observations at large scales. The existence of the energy region in which these self-interactions between dark matter particles come close to saturating the S-wave unitarity bound can result in the formation of dark matter bound states called darkonium. In this scenario, all the low energy scattering properties are determined by a single parameter, the inverse scattering length $$\gamma $$ γ . In this work, we set bounds on $$\gamma $$ γ by studying the impact of darkonium on the observations at direct detection experiments using data from CRESST-III and XENON1T. The exclusion limits on $$\gamma $$ γ are then subsequently converted to exclusion limits on the self-interaction cross-section and compared with the constraints from astrophysics and N-body simulations.