[論文レビュー] Cold Dark Matter: A Gluonic Bose–Einstein Condensate in Anti-de Sitter Space Time

Gilles Cohen-Tannoudji, Jean‐Pierre Gazeau|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 55被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、反ド・ジッター（AdS）時空背景におけるQCD相転移の過程で形成されたグルーオンのボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）としての寒冷ダークマターを提案する。グルーオンと二グルーオンを振動的質量ギャップを持つ準粒子としてモデル化することで、観測されたダークマター対可視物質比約5.5を再現し、新しい粒子や場を導入することなく、QCDと宇宙論を調和させる。

ABSTRACT

In the same way as the realization of some of the famous gedanken experiments imagined by the founding fathers of quantum mechanics has recently led to the current renewal of the interpretation of quantum physics, it seems that the most recent progress of observational astrophysics can be interpreted as the realization of some cosmological gedanken experiments such as the removal from the universe of the whole visible matter or the cosmic time travel leading to a new cosmological standard model. This standard model involves two dark components of the universe, dark energy and dark matter. Whereas dark energy is usually associated with the cosmological constant, we propose explaining dark matter as a pure QCD effect, namely a gluonic Bose–Einstein condensate, following the transition from the quark gluon plasma phase to the colorless hadronic phase. Our approach not only allows us to assume a Dark/Visible ratio equal to 11/2 but also provides gluons (and di-gluons, viewed as quasi-particles) with an extra mass of vibrational nature. Such an interpretation would support the idea that, apart from the violation of the matter/antimatter symmetry satisfying the Sakharov’s conditions, the reconciliation of particle physics and cosmology needs not the recourse to any ad hoc fields, particles or hidden variables.

研究の動機と目的

• 追加の場や粒子を導入することなく、素粒子物理学の標準模型と宇宙論を調和させること。
• 観測されたダークマター対可視物質比（約5.5）を、完全にQCDに基づくメカニズムで説明すること。
• 反ド・ジッター時空におけるグルーオンのボーズ・アインシュタイン凝縮としてのダークマターの理論的基盤を提供すること。
• 二つの先行研究を統合すること：一つはダークマターを重力的ポテンシャル（ワールドマター）に関連づけるもの、もう一つはAdS時空における幾何的質量に関連づけるもの。
• 非摂動的QCD効果が、メキシカン・ハット型ポテンシャルを持つスカラー「ディラトン」場を生成できることを示し、これがダークマター準粒子凝縮として機能することを示すこと。

提案手法

• ド・ジッター／反ド・ジッター時空における基本系の適切質量のウィグナー定義を採用し、幾何的質量寄与を導出する。
• 共動フレームにおけるワールドマター密度と関連づけ、宇宙定数Λを反ド・ジッター曲率に関連付ける。
• QCDハドロン化相転移（図2の点δ）におけるグルーオンと二グルーオンのボーズ・アインシュタイン凝縮形式を適用する。
• 非摂動的QCD効果からの集団励起としてのスカラー共変量子場φ（「ディラトン」場）を用い、ヒッグスに類似たポテンシャルを導入する。
• AdS曲率と宇宙定数ΛdSから、臨界温度Tc ≈ 10⁴ Kおよび凝縮粒子数NG ≈ 5 × 10⁸⁸を導出する。
• 凝縮準粒子の有効質量ギャップを、新しい粒子ではなくQCD力学によって得られる10⁻²² eVスケールに一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 寒冷ダークマターはQCD相転移に起因するグルーオンのボーズ・アインシュタイン凝縮として説明可能か？
• RQ2 反ド・ジッター時空における幾何的質量寄与は、観測されたダークマター対可視物質比を自然に説明できるか？
• RQ3 非摂動的QCD効果が、振動的質量ギャップを持つダークマター準粒子として機能するスカラー場（ディラトン）を生成できるか？
• RQ4 観測された宇宙定数ΛdSは、AdS背景における凝縮体のエネルギー密度と整合するか？
• RQ5 このモデルは、新しい基本粒子を導入することなく、標準CDMモデルのコア/カスプ問題や小スケール問題をどのように解決するか？

主な発見

• QCD相転移ダイナミクスにより、ダークマター対可視物質比が11/2 = 5.5に再現され、観測値27/5 = 5.2に近く一致する。
• グルーオンBEC形成の臨界温度はTc ≈ 10⁴ Kと推定され、物質優勢時代に対応する。
• 凝縮状態内の二グルーオン数はNG ≈ 5 × 10⁸⁸と推定され、バリオンに対するグルーオンの豊度と整合する。
• 宇宙定数はΛdS ≈ 1.36 × 10⁻⁴⁴ m⁻²と導出され、凝縮パラメータをスケーリングすることで観測値と整合的である。
• 二グルーオン準粒子の有効質量ギャップは約10⁻²² eVと推定され、ファジー・ダークマターモデルに必要なスケールと一致する。
• 非摂動的QCDから生じるスカラー「ディラトン」場φは、新しい基本粒子を必要とせず、ダークマターの幾何的・力学的起源を提供する。