[論文レビュー] A Unified picture of Dark Matter and Dark Energy from Invisible QCD

Andrea Addazi, Antonino Marcianò+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、低スケール（約10^{-3}–10^{-4} eV）での自発的チャーミカル対称性の破れを示す見えないQCD系（IQCD）に由来する、暗黒物質（DM）と暗黒エネルギー（DE）を統一的に扱うフレームワークを提案する。得られる暗黒パイオニオン凝集体は、遅い宇宙の加速を引き起こし、クォークのコンfinメントは質量が約10^{-14}–10^{-15} M⊙のコンパクトな暗黒星（ミニ-MACHO）を形成する。これにより、現在の微小レンズ効果および銀河団の制約を回避できる。

ABSTRACT

It has been shown in a companion paper that the late time acceleration of the universe can be accounted for by an extension of the QCD color to a $SU(3)$ invisible sector (IQCD). In this work we discuss a unified framework such the scale of dark chiral-breaking dictates both the accelerated expansion of the universe, and the origin of dark matter. We find that the strong and gravitational dynamics of dark quarks and gluons evolve to eventually form exotic dark stars. We discuss the dynamical complexity of these dark compact objects in light of dark big bang nucleosynthesis. We argue how IQCD favors a halo composed of very compact dark neutron stars, strange/quark stars and black holes, with masses $M_{MACHO}< 10^{-7}M_{\odot}$. This avoids limit from MACHO and EROS collaborations as well as limit from clusters. We also discuss possible phenomenological implications in dark matter searches. We argue that dark supernovae and dark binaries can emit very peculiar gravitational waves signal testable by the LIGO/VIRGO collaboration and future projects dedicated to these aspects.

研究の動機と目的

• 見えないQCD系（IQCD）における低スケールのチャーミカル対称性の破れを用いて、暗黒エネルギーと暗黒物質を一つの枠組みで統一すること。
• チャーミカル対称性の破れ後に形成される暗黒パイオニオン凝集体のエネルギー密度によって、遅い宇宙の加速を説明すること。
• 暗黒中性星、素クォーク星、ブラックホールなどのコンパクトな暗黒星を、主な暗黒物質成分として同定すること。
• 微小レンズ効果（MACHO、EROS）、銀河団の制限、太陽系内での力学的制約とこのモデルを整合させること。
• 重力波（暗黒超新星や二重星系からのもの）や惑星軌道の異常といった、検出可能な物性的兆候を探索すること。

提案手法

• QCDの閉じ込めおよびチャーミカル対称性の破れのダイナミクスを模倣する、SU(3)_{D}ゲージ群と2つの暗黒クォークフレーバーを持つ素的IQCDモデルを採用する。
• 赤外領域のダイナミクスを、チャーミカル対称性の破れ後にペクトル的にグリーンボソンとして現れる暗黒パイオニオンを含む、Nambu-Jona-Lasinio型の有効理論でモデル化する。
• 暗黒パイオニオン凝集体のエネルギー密度を計算し、それがほぼ一定値に漸近することを示し、宇宙定数に類似した効果を示し、遅い宇宙の加速を引き起こす。
• QCDおよび暗黒系の熱力学からのスケーリング則を用いて、ビッグバン後約1ギガ年における暗黒ハドロンおよび特異な暗黒星の形成を推定する。
• 微小レンズ効果、銀河団の質量関数、太陽系内での軌道異常を用いた、質量が10^{-7} M⊙未満のミニ-MACHOの検出可能性を評価する。
• ミニ-MACHOの重力波信号（暗黒超新星や二重星系合体から発生）を予測し、LIGO/Virgoおよび将来の観測装置による検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 見えないQCD系における同じスケールのチャーミカル対称性の破れが、同時に暗黒エネルギーと暗黒物質を説明できるか？
• RQ2 IQCD系で形成されるコンパクトな暗黒物体（例：暗黒中性星、素クォーク星）の天体物理学的性質および質量関数は何か？
• RQ3 質量が10^{-7} M⊙未満のミニ-MACHOが、微小レンズ効果および銀河団の質量関数からの現在の観測制限をどのように回避できるか？
• RQ4 IQCDモデルにおける暗黒超新星および暗黒二重星系から生じる重力波の兆候は何か？
• RQ5 太陽系内に存在する暗黒コンパクト物体が、惑星または人工衛星の軌道に測定可能な異常を引き起こす可能性はあるか？

主な発見

• 暗黒チャーミカル対称性の破れのスケール Λ_D ≈ 10^{-3}–10^{-4} eV が、暗黒パイオニオン凝集体のエネルギー密度を決定し、遅い宇宙の加速を引き起こす。
• 暗黒クォークはビッグバン後約1ギガ年頃に、質量 M_Mini-MACHO ≈ 10^{-14}–10^{-15} M⊙ の特異な暗黒星にハドロン化し、コンパクトな物体で構成されるハローを形成する。
• これらのミニ-MACHOは極めて低い質量と高い空間密度のため、現在の微小レンズ効果および銀河団の制限を回避できる。太陽系内に存在すると推定される数は10^6～10^8程度である。
• 非熱的生成やWIMPに類似したメカニズムを必要とせず、観測された暗黒物質密度（約0.3–0.4 GeV/cm³）を自然に再現できる。
• 暗黒超新星およびミニ-MACHOの二重星系合体から、特徴的な重力波信号が発生すると予測され、LIGO/Virgoおよび将来の観測装置で検出可能である可能性がある。
• 惑星系は暗黒衛星やミニ-MACHOのリングを有する可能性があり、GPS衛星の軌道に測定可能なずれ（例：GPS異常）を引き起こす可能性がある。