[論文レビュー] Bubbletrons: Ultrahigh-Energy Particle Collisions and Heavy Dark Matter at Phase Transitions

Iason Baldes, Maximilian Dichtl+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、超相対論的泡壁を伴う一次相転移が、初期宇宙における「泡トロン」——つまり、相転移エネルギースケールをはるかに超えるエネルギーで衝突する相対論的粒子シェルが生成される、超高エネルギー粒子衝突装置——を自然に生成すると提案している。主要な結果は、このような衝突が、相転移スケールに応じて約10^6–10^15 GeVの質量をとるダークマター粒子を生成できることであり、これらの過程はパルサー計時配列、LISA、およびエインシュタイン望遠鏡で検出可能な観測可能な重力波信号と関連している。

ABSTRACT

We initiate the study of `bubbletrons', by which we mean ultra-high-energy collisions of the particle shells that generically form at the walls of relativistic bubbles in cosmological first-order phase transitions (PT). As an application, we calculate the maximal dark matter mass $M_{DM}$ that bubbletrons can produce in a $U(1)$ gauge PT, finding $M_{DM} \sim 10^5/10^{11}/10^{15}$ GeV for PT scales $v_ϕ\sim 10^{-2}/10^3/10^9$ GeV. Bubbletrons realise a novel link between ultra-high-energy phenomena and gravitational waves (GW) sourced at the PT, from nanohertz to megahertz frequencies.

研究の動機と目的

• 一次相転移に伴う高速な泡壁を駆動とする初期宇宙における粒子加速器の存在とその意味を調査すること。
• このような状況下でのシェル衝突によって生成可能なダークマター質量の最大値を定量化すること。
• その結果として生じるダークマター生成と、同じ相転移によって駆動される重力波背景との関連を確立すること。
• 高エネルギー物理学スケール（例：巨大統一理論）と今後の重力波および高エネルギー宇宙線探査機器の観測結果を結びつける観測可能なシグナルを特定すること。

提案手法

• 泡の膨張速度と核化半径から導かれるローレンツ因子γを用いて、一次相転移における相対論的泡壁の力学をモデル化する。
• 泡壁からの粒子シェルの反射エネルギーを、相対論的運動論と壁のローレンツ因子を用いて計算する。
• 自由に伝播する粒子シェル同士の衝突を仮定し、相対論的粒子の中心系エネルギー式を用いて衝突エネルギーを計算する。
• 断面積と位相空間の統合を用いて、これらの衝突で生成される重いダークマター粒子の生成量を導出する。
• 因果律によって制約されたスケーリングを伴うバルクフロー模型を用いて、相転移からの重力波スペクトルを推定する。
• ダークマター生成スケールと重力波周波数帯の相関をとることで、観測可能なシグナルが高エネルギー物理学スケールとどのように関連するかを結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的シェル相互作用に起因する初期宇宙の粒子衝突は、相転移エネルギースケール自体をはるかに超えるエネルギーに達することができるか？
• RQ2 U(1)ゲージ相転移において、シェル衝突によって生成可能なダークマター質量の最大値は何か？また、これは相転移スケールにどのように依存するか？
• RQ3 このような相転移に起因する重力波シグナルとダークマター生成メカニズムとの関係は何か？
• RQ4 同じ相転移が、パルサー計時配列、LISA、およびエインシュタイン望遠鏡で検出可能な観測可能な重力波シグナルを生成できるか？
• RQ5 効率的なシェルの自由伝播と衝突を可能にする条件は何か？また、複数回の反射（「ピンポン効果」）が支配的になるのはいつか？

主な発見

• U(1)ゲージ相転移において、vϕ ~ 10^{-2} GeVのとき約10^6 GeV、vϕ ~ 10^3 GeVのとき約10^{11} GeV、vϕ ~ 10^8 GeVのとき約10^{15} GeVの質量のダークマターが生成可能である。
• 高エネルギーのvϕでは、泡の膨張速度とローレンツ因子が低下するため、ダークマター質量の最大値は飽和し、γ_coll ≈ γ_runのときプラトーに達する。
• このような相転移に起因する重力波シグナルは、vϕ ~ 10^{-2} GeVのときパルサー計時配列で検出可能であり、vϕ ~ 10^8 GeVのときLISAで、vϕ ~ 10^{16} GeVのときエインシュタイン望遠鏡で検出可能である。
• 効率的なシェル形成と衝突を達成するためには、相転移が強く一次的（α ≡ (T_n / T_eq)^4 = 1）であり、かつβ/H ≈ 20である必要がある。
• シェル衝突エネルギーは、相転移スケールを何桁も超える可能性があり、vϕよりもはるかに重い粒子の生成を可能にする。
• 本モデルは、重力波シグナルと崩壊するダークマターから発する高エネルギー宇宙線の間の潜在的リンクを予測しており、IceCube、KM3NeT、CTA、LHAASOの観測結果と結びつく可能性がある。