Spridning och absorption av mörk materia i magnetiska material

Abstract

Mörk materia utgör en betydande del av universums massa, men dess natur är fortfarande okänd. Eftersom traditionella detektionsexperiment baserade på kinematisk spridning mot atomer inte observerat några signaler, har intresset riktats mot lätt mörk materia i sub- GeV-området, där den vanliga kinematiska spridningen är irrelevant. Ett möjligt sätt att detektera dessa mindre partiklar är genom deras växelverkan med elektroners spinn. Magnetiska material är då särskilt intressanta att studera, eftersom kollektiva spinnexcitationer kan förstärka materialets respons. I denna rapport härleds en övre gräns för spridningsoch absorptionshastigheter av mörk materia i magnetiska material. Växelverkan modelleras med en effektiv Hamiltonian som kopplar mörk materia till elektronernas spinntäthet. Med linjär responsteori och Fermis gyllene regel uttrycks hastigheterna i termer av materialets dynamiska magnetiska susceptibilitet. Genom Kramers–Kronig-relationerna samt positivitet hos materialresponsen och modellens formfaktor erhålls en övre gräns som endast beror på materialets statiska magnetiska susceptibilitet. Denna susceptibilitet är en ändlig och väldefinierad storhet för alla fysikaliska material. Resultatet möjliggör därmed jämförelser mellan magnetiska material som potentiella detektorer och ger en utgångspunkt för vidare analys av lovande kandidatmaterial.