[論文レビュー] Dark Energy and Dark Matter from Yang-Mills Condensate and the Peccei-Quinn mechanism

Andrea Addazi, Pietro Donà+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ダークSU(2)ゲージ系における非摂動的ヤンミルズ凝集体（YMC）から生じるダークエネルギーと、ペチェイ・クイン対称性から生じるQCDアクシンが、冷たいダークマターを提供する統一モデルを提案する。YMCはその有効ラグランジアンの最小値を通じてダークエネルギーとして機能し、有効場理論的相互作用を通じて、1〜10ギガ年のスケールでダークエネルギー密度の一部がダークマターに転送される。この過程は次世代のダークエネルギー実験で検証可能である。

ABSTRACT

We analyze a model of cold axion Dark Matter weakly coupled with a dark gluon condensate, reproducing Dark Energy. We first review how to recover the Dark Energy behavior using the functional renormalization group approach, and ground our study on the properties of the effective Lagrangian, to be determined non-perturbatively. Then, within the context of $G_{SM}\ imes SU(2)_{D}\ imes U(1)_{PQ}$, we consider YMC interactions with QCD axions. We predict a transfer of Dark Energy density into Dark Matter density in a cosmological time that can be tested in the next generation of experiments dedicated to Dark Energy measures.

研究の動機と目的

• 摂動的アプローチの限界を克服する非摂動的ヤンミルズ凝集体（YMC）がダークエネルギー源として機能する枠組みを確立すること。
• 標準模型の最小限の拡張 $G_{SM} \times SU(2)_D \times U(1)_{PQ}$ において、ペチェイ・クイン機構を組み込むことで、ダークエネルギーとコールドダークマターを統一すること。
• 有効場理論の枠組み内で、YMCからのアクシン放出を通じたダークエネルギー密度からダークマター密度への動的転送を調査すること。
• このエネルギー転送のレートと宇宙論的スケールを、近い将来のダークエネルギー実験に関連づけて、検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• 赤外領域での安定性を保証するため、ダークSU(2)ヤンミルズ理論の有効作用を非摂動的に決定するため、関数的ランゲルギング群（FRG）手法を用いる。
• 有効ラグランジアン $\mathcal{W}(\Theta)$ に3つの物理的要件を課す：$\Theta_0 \approx \Lambda_D^4$ における非自明な最小値、摂動的1ループ極限、$\Theta$ におけるUV線形性。
• ペチェイ・クイン対称性がQCDアクシンを生成する最小限のSM拡張 $SU(2)_D \times U(1)_{PQ}$ を導入する。
• 有効場理論を用いてYMCとアクシンの相互作用をモデル化し、凝集体からのアクシン放出を可能にする。
• アクシン放出レート $\Gamma \sim 10^2 \Lambda_D^3 \mathcal{M}^{-2}$ を推定し、エネルギー転送の宇宙論的スケール $\tau \sim (\mathcal{M}/\text{GeV})^2$ Gyr を得る。
• 初期宇宙における温度補正を検討するが、$T \ll \Lambda_D$ の場合、これらは無視可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークSU(2)系における非摂動的ヤンミルズ凝集体が、ダークエネルギーの状態方程式を再現できるか？
• RQ2 YMCの有効ラグランジアンが、妥当なダークエネルギーモデルに必要な条件（最小値、摂動的極限、UV挙動）を満たしているか？
• RQ3 ペチェイ・クイン機構から生じるQCDアクシンが、YMCから動的に生成可能であり、ダークエネルギー密度がダークマターに転送されるか？
• RQ4 このエネルギー転送の宇宙論的スケールは何か？ また、将来的なダークエネルギー実験で探査可能か？
• RQ5 初期宇宙における温度補正は、YMCからのアクシン放出レートにどのように影響するか？

主な発見

• 非摂動的関数的ランゲルギング群解析により、SU(2)系において有効ラグランジアン $\mathcal{W}(\Theta)$ に $\Theta_0 \approx \Lambda_D^4$ における最小値が存在することが確認され、YMCがダークエネルギー候補として妥当であることが裏付けられた。
• モデルは3つの要件すべてを満たしている：非自明な最小値、摂動的1ループ極限、$\Theta$ におけるUV線形性であり、既知の量子場理論の振る舞いと整合的であることが保証された。
• YMCからのアクシン放出レートは $\Gamma \sim 10^2 \Lambda_D^3 \mathcal{M}^{-2}$ であり、エネルギー転送の宇宙論的スケールは $\tau \sim (\mathcal{M}/\text{GeV})^2$ Gyr となる。
• $\mathcal{M} \simeq 120$ GeV の場合、10ギガ年間にわたりダークマター密度が10%変化するため、将来的な実験で観測可能なベンチマークが得られる。
• 放出されるアクシンのエネルギーは $E \simeq 2\Lambda_D \simeq m_a$ に近く、低速であり、コールドダークマター凝集体に容易に捕獲可能であり、検出可能性が向上する。
• 温度補正は $T \ll \Lambda_D$ の場合無視可能であるが、$T \sim \text{few} \times \Lambda_D \simeq 10^{-4}$ eV の初期段階では関係する可能性があるが、ここでは詳細には計算されていない。