- Open Access
X-ray constraints on dark photon tridents
Phys. Rev. D 112, 023026 – Published 17 July, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/37gn-x3y1
Abstract
Dark photons that are sufficiently light and/or weakly interacting represent a compelling vision of dark matter. Dark photon decay into three photons, which we call the dark photon trident, can be the dominant channel when the dark photon mass falls below the electron pair threshold and can produce a significant flux of x rays. We use 16 years of data from Interrnational Gamma-Ray Astro Physics Laboratory (INTEGRAL)/Spectrometer of INTEGRAL (SPI) to constrain sub-MeV dark photon decay, producing new worlds-best constraints on the kinetic mixing parameter for dark photon masses between 90 and 1022 keV, and comment on the potential for future x-ray observatories to discover the trident decay process.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (102)
- B. Holdom, Phys. Lett. 166B, 196 (1986).
- P. Fayet, Phys. Lett. 95B, 285 (1980).
- P. Fayet, Nucl. Phys. B347, 743 (1990).
- M. Fabbrichesi, E. Gabrielli, and G. Lanfranchi, The Physics of the Dark Photon (Springer, Cham, 2021).
- T. G. Rizzo, J. High Energy Phys. 07 (2018) 118.
- M. Pospelov, Phys. Rev. D 80, 095002 (2009).
- A. E. Nelson and J. Scholtz, Phys. Rev. D 84, 103501 (2011).
- A. Caputo, C. A. J. O’Hare, A. J. Millar, and E. Vitagliano, Phys. Rev. D 104, 095029 (2021).
- J. Redondo and M. Postma, J. Cosmol. Astropart. Phys. 02 (2009) 005.
- P. Arias, D. Cadamuro, M. Goodsell, J. Jaeckel, J. Redondo, and A. Ringwald, J. Cosmol. Astropart. Phys. 06 (2012) 013.
- I. M. Bloch, R. Essig, K. Tobioka, T. Volansky, and T.-T. Yu, J. High Energy Phys. 06 (2017) 087.
- E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Phys. Rev. Lett. 123, 251801 (2019).
- E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Phys. Rev. D 102, 072004 (2020).
- E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Phys. Rev. D 106, 022001 (2022).
- H. An, M. Pospelov, J. Pradler, and A. Ritz, Phys. Rev. D 102, 115022 (2020).
- E. Fischbach, H. Kloor, R. A. Langel, A. T. Y. Liu, and M. Peredo, Phys. Rev. Lett. 73, 514 (1994).
- H.-S. Zechlin, D. Horns, and J. Redondo, AIP Conf. Proc. 1085, 727 (2009).
- X.-J. Bi, Y. Gao, J. Guo, N. Houston, T. Li, F. Xu, and X. Zhang, Phys. Rev. D 103, 043018 (2021).
- V. Q. Tran, T. T. Q. Nguyen, and T.-C. Yuan, J. Cosmol. Astropart. Phys. 05 (2024) 015.
- S.-P. Li and X.-J. Xu, J. Cosmol. Astropart. Phys. 09 (2023) 009.
- D. Wadekar and G. R. Farrar, Phys. Rev. D 103, 123028 (2021).
- M. J. Dolan, F. J. Hiskens, and R. R. Volkas, J. Cosmol. Astropart. Phys. 05 (2024) 099.
- S. Dubovsky and G. Hernández-Chifflet, J. Cosmol. Astropart. Phys. 12 (2015) 054.
- S. Yan, L. Li, and J. Fan, J. High Energy Phys. 06 (2024) 028.
- D. K. Hong, C. S. Shin, and S. Yun, Phys. Rev. D 103, 123031 (2021).
- N. Vinyoles, A. Serenelli, F. L. Villante, S. Basu, J. Redondo, and J. Isern, J. Cosmol. Astropart. Phys. 10 (2015) 015.
- G. Bertone, D. Hooper, and J. Silk, Phys. Rep. 405, 279 (2005).
- G. Bertone and D. Hooper, Rev. Mod. Phys. 90, 045002 (2018).
- G. Bertone and T. M. P. Tait, Nature (London) 562, 51 (2018).
- G. Servant and T. M. P. Tait, Nucl. Phys. B650, 391 (2003).
- L. D. Landau, Dokl. Akad. Nauk SSSR 60, 207 (1948).
- C.-N. Yang, Phys. Rev. 77, 242 (1950).
- M. Pospelov, A. Ritz, and M. B. Voloshin, Phys. Lett. B 662, 53 (2008).
- T. T. Q. Nguyen and T. M. P. Tait, Phys. Rev. D 107, 115016 (2023).
- T. T. Q. Nguyen, T. Linden, P. Carenza, and A. Widmark, arXiv:2501.14864.
- T. T. Q. Nguyen, in Windows on the Universe: 30th Anniversary of the Rencontres du Vietnam (2023), arXiv:2312.12292.
- S. D. McDermott, H. H. Patel, and H. Ramani, Phys. Rev. D 97, 073005 (2018).
- H. Yuksel and M. D. Kistler, Phys. Rev. D 78, 023502 (2008).
- T. Linden, T. T. Q. Nguyen, and T. M. P. Tait, arXiv:2402.01839.
- J. F. Navarro, C. S. Frenk, and S. D. M. White, Astrophys. J. 490, 493 (1997).
- E. V. Karukes, M. Benito, F. Iocco, R. Trotta, and A. Geringer-Sameth, J. Cosmol. Astropart. Phys. 05 (2020) 033.
- J. Iguaz, J. Iguaz, P. D. Serpico, P. D. Serpico, T. Siegert, and T. Siegert, Phys. Rev. D 103, 103025 (2021); 107, 069902(E) (2023).
- R. Essig, E. Kuflik, S. D. McDermott, T. Volansky, and K. M. Zurek, J. High Energy Phys. 11 (2013) 193.
- R. Essig et al., in Snowmass 2013: Snowmass on the Mississippi (2013), arXiv:1311.0029.
- J. R. Ellis, G. B. Gelmini, J. L. Lopez, D. V. Nanopoulos, and S. Sarkar, Nucl. Phys. B373, 399 (1992).
- F. Iocco, G. Mangano, G. Miele, O. Pisanti, and P. D. Serpico, Phys. Rep. 472, 1 (2009).
- E. Holtmann, M. Kawasaki, K. Kohri, and T. Moroi, Phys. Rev. D 60, 023506 (1999).
- M. Kawasaki, K. Kohri, and T. Moroi, Phys. Rev. D 63, 103502 (2001).
- T. Siegert, R. Diehl, M. G. H. Krause, and J. Greiner, Astron. Astrophys. 579, A124 (2015).
- T. Siegert, R. Diehl, G. Khachatryan, M. G. H. Krause, F. Guglielmetti, J. Greiner, A. W. Strong, and X. Zhang, Astron. Astrophys. 586, A84 (2016).
- T. Siegert, R. Diehl, J. Greiner, M. G. H. Krause, A. M. Beloborodov, M. Cadolle Bel, F. Guglielmetti, J. Rodriguez, A. W. Strong, and X. Zhang, Nature (London) 531, 341 (2016).
- T. Siegert, R. Diehl, A. C. Vincent, F. Guglielmetti, M. G. H. Krause, and C. Boehm, Astron. Astrophys. 595, A25 (2016).
- T. Siegert, Astron. Astrophys. 632, L1 (2019).
- T. Siegert, R. M. Crocker, O. Macias, F. H. Panther, F. Calore, D. Song, and S. Horiuchi, Mon. Not. R. Astron. Soc. 509, L11 (2021).
- F. Calore, A. Dekker, P. D. Serpico, and T. Siegert, Mon. Not. R. Astron. Soc. 520, 4167 (2023).
- P. De la Torre Luque, S. Balaji, P. Carenza, and L. Mastrototaro, Phys. Rev. D 111, L061303 (2025).
- J. Berteaud, F. Calore, J. Iguaz, P. D. Serpico, and T. Siegert, Phys. Rev. D 106, 023030 (2022).
- T. Siegert, F. Calore, and P. D. Serpico, Mon. Not. R. Astron. Soc. 528, 3433 (2024).
- T. Siegert, C. Boehm, F. Calore, R. Diehl, M. G. H. Krause, P. D. Serpico, and A. C. Vincent, Mon. Not. R. Astron. Soc. 511, 914 (2022).
- T. Siegert, R. Diehl, C. Weinberger, M. M. M. Pleintinger, J. Greiner, and X. Zhang, Astron. Astrophys. 626, A73 (2019).
- R. Krivonos, M. Revnivtsev, E. Churazov, S. Sazonov, S. Grebenev, and R. Sunyaev, Astron. Astrophys. 463, 957 (2007).
- W. Wang, T. Siegert, Z. G. Dai, R. Diehl, J. Greiner, A. Heger, M. Krause, M. Lang, M. M. M. Pleintinger, and X. L. Zhang, Astrophys. J. 889, 169 (2020).
- T. Siegert, S. Ghosh, K. Mathur, E. Spraggon, and A. Yeddanapudi, Astron. Astrophys. 650, A187 (2021).
- G. Vianello, R. J. Lauer, P. Younk, L. Tibaldo, J. M. Burgess, H. Ayala, P. Harding, M. Hui, N. Omodei, and H. Zhou (2015).
- D. Foreman-Mackey, D. W. Hogg, D. Lang, and J. Goodman, Publ. Astron. Soc. Pac. 125, 306 (2013).
- H. An, M. Pospelov, and J. Pradler, Phys. Lett. B 725, 190 (2013).
- E. Churazov et al., Astron. Astrophys. 467, 529 (2007).
- G. Weidenspointner, M. Varendorff, S. C. Kappadath, K. Bennett, H. Bloemen, R. Diehl, W. Hermsen, G. G. Lichti, J. Ryan, and V. Schönfelder, AIP Conf. Proc. 510, 467 (2000).
- A. W. Strong, I. V. Moskalenko, and O. Reimer, Astrophys. J. 613, 962 (2004).
- T. T. Q. Nguyen, I. John, T. Linden, and T. M. P. Tait, arXiv:2412.00180.
- T. T. Q. Nguyen, Proc. Sci. COSMICWISPers2024 (2025) 066.
- T. T. Q. Nguyen, P. De la Torre Luque, I. John, S. Balaji, P. Carenza, and T. Linden (to be published).
- C. O’Hare, cajohare/axionlimits: Axionlimits, https://cajohare.github.io/AxionLimits/URL (2020).
- D. Wouters and P. Brun, Astrophys. J. 772, 44 (2013).
- M. C. D. Marsh, H. R. Russell, A. C. Fabian, B. P. McNamara, P. Nulsen, and C. S. Reynolds, J. Cosmol. Astropart. Phys. 12 (2017) 036.
- C. S. Reynolds, M. C. D. Marsh, H. R. Russell, A. C. Fabian, R. Smith, F. Tombesi, and S. Veilleux, Astrophys. J. 890, 59 (2020).
- J. S. Reynés, J. H. Matthews, C. S. Reynolds, H. R. Russell, R. N. Smith, and M. C. D. Marsh, Mon. Not. R. Astron. Soc. 510, 1264 (2021).
- J. W. Foster, M. Kongsore, C. Dessert, Y. Park, N. L. Rodd, K. Cranmer, and B. R. Safdi, Phys. Rev. Lett. 127, 051101 (2021).
- P. De la Torre Luque, S. Balaji, and P. Carenza, Phys. Rev. D 109, L101305 (2024).
- K. Perez, K. C. Y. Ng, J. F. Beacom, C. Hersh, S. Horiuchi, and R. Krivonos, Phys. Rev. D 95, 123002 (2017).
- K. C. Y. Ng, B. M. Roach, K. Perez, J. F. Beacom, S. Horiuchi, R. Krivonos, and D. R. Wik, Phys. Rev. D 99, 083005 (2019).
- B. M. Roach, S. Rossland, K. C. Y. Ng, K. Perez, J. F. Beacom, B. W. Grefenstette, S. Horiuchi, R. Krivonos, and D. R. Wik, Phys. Rev. D 107, 023009 (2023).
- C. Fong, K. C. Y. Ng, and Q. Liu, arXiv:2401.16747.
- R. Janish and E. Pinetti, Phys. Rev. Lett. 134, 071002 (2025).
- H. An, S. Ge, J. Liu, and Z. Lu, arXiv:2402.17140.
- S. Roy, C. Blanco, C. Dessert, A. Prabhu, and T. Temim, Phys. Rev. Lett. 134, 071003 (2025).
- T. Bessho, Y. Ikeda, and W. Yin, Phys. Rev. D 106, 095025 (2022).
- W. Yin et al., Phys. Rev. Lett. 134, 051004 (2025).
- E. Todarello, M. Regis, J. Reynoso-Cordova, M. Taoso, D. Vaz, J. Brinchmann, M. Steinmetz, and S. L. Zoutendijke, J. Cosmol. Astropart. Phys. 05 (2024) 043.
- C. Thorpe-Morgan, D. Malyshev, A. Santangelo, J. Jochum, B. Jäger, M. Sasaki, and S. Saeedi, Phys. Rev. D 102, 123003 (2020).
- A. De Angelis et al., Exp. Astron. 51, 1225 (2021).
- C. Dessert, O. Ning, N. L. Rodd, and B. R. Safdi, Phys. Rev. Lett. 132, 211002 (2024).
- D. Barret et al., arXiv:1308.6784.
- J. Sisk-Reynés, C. S. Reynolds, M. L. Parker, J. H. Matthews, and M. C. D. Marsh, Astrophys. J. 951, 5 (2023).
- J. W. D. Halliday et al., Phys. Rev. Lett. 134, 055001 (2025).
- C. R. Harris et al., Nature (London) 585, 357 (2020).
- P. Virtanen et al., Nat. Methods 17, 261 (2020).
- T. P. Robitaille et al. (astropy Collaboration), Astron. Astrophys. 558, A33 (2013).
- J. D. Hunter, Comput. Sci. Eng. 9, 90 (2007).
- T. Kluyver, B. Ragan-Kelley, F. Pérez, B. Granger, M. Bussonnier, J. Frederic, K. Kelley, J. Hamrick, J. Grout, S. Corlay, P. Ivanov, D. Avila, S. Abdalla, and C. Willing (jupyter Development Team), in IOS Press (2016) pp. 87–90.
- D. Binosi, J. Collins, C. Kaufhold, and L. Theussl, Comput. Phys. Commun. 180, 1709 (2009).
- A. Rohatgi, webplotdigitizer: Version 4.6 (2022).