[論文レビュー] Dark Matter as dark dwarfs and other macroscopic objects: multiverse relics?

Christian Groß, Giacomo Landini+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、強い相互作用を示す暗黒セクターに存在する重い暗黒クォークが、コンfinementへの一次相転移の過程で偽真空のポケットに閉じ込められることで、暗黒矮星や原始ブラックホールという巨視的残滓が形成され得ると提案している。これらの圧縮されたポケットが、量子圧力または重力によって安定化され、重力的収縮を経て、軽いクォークに基づくフェルミボールとは異なる安定した暗黒物質候補が生成される。

ABSTRACT

First-order phase transitions can leave relic pockets of false vacua and their particles, that manifest as macroscopic Dark Matter. We compute one predictive model: a gauge theory with a dark quark relic heavier than the confinement scale. During the first-order phase transition to confinement, dark quarks remain in the false vacuum and get compressed, forming Fermi balls that can undergo gravitational collapse to stable dark dwarfs (bound states analogous to white dwarfs) near the Chandrasekhar limit, or to primordial black holes.

研究の動機と目的

• 一次的相転移が強い相互作用を示す暗黒セクターに与える宇宙論的影響を調査すること。
• 圧縮された暗黒クォークポケットの重力的収縮が、安定な巨視的暗黒物質残滓を形成できるかどうかを検討すること。
• 特に多宇宙的状況下において、こうした残滓が暗黒物質候補として現実的かどうかを評価すること。
• 軽い暗黒クォークやスカラー場を含むモデルで形成されるものと比較して、これらの残滓の性質を検討すること。
• 重力的収縮の最終状態を安定化または変化させる要因としての暗黒バリオン数非対称性および色超伝導性の役割を検討すること。

提案手法

• 一次的相転移によってコンfinementが起こる、単一の重い暗黒クォーク（m ≫ Λ）を含む強い相互作用的ゲージ理論をモデル化すること。
• 宇宙論的バブル核生成とホッブリー規模の推定（R₀ ∼ M_Pl²ᐟ³ / Λ⁵ᐟ³）を用いて、偽真空ポケットの初期サイズを計算すること。
• 重力的収縮の条件（式22）を適用し、量子圧力と重力のバランスに基づくチャンドラセカール条件を導出すること。
• 反応速度（例：q̄q対消滅、バリオン形成）と重力的収縮の競合を、反応時間の推定を用いて評価すること。
• エネルギーバランスを評価し、重力が熱的および量子的圧力よりも支配的であれば、暗黒矮星やブラックホールの形成に至る収縮が進行することを確認すること。
• 式（30）の条件を用いて、バリオン形成エネルギーが収縮を止めるかどうかを判定し、安定な残滓形成を可能にする条件を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次的コンフィネーション相転移の過程で偽真空ポケットに閉じ込められた重い暗黒クォークが、安定な巨視的暗黒物質残滓を形成できるか？
• RQ2 圧縮された暗黒クォークポケットにおいて、重力的収縮が粒子反応プロセスを上回る条件は何か？
• RQ3 このような残滓の質量と半径は、軽い暗黒クォークやスカラー場を含むモデルで形成されるものと比べてどう異なるか？
• RQ4 多宇宙の文脈において、こうした残滓が暗黒物質候補として現実的であるか、特に偽真空ポケットから起源を持つ場合に限って検討すること。
• RQ5 暗黒バリオン数非対称性は、ポケットの重力的収縮を促進し、蒸発を防ぐ役割を果たすか？

主な発見

• 量子圧力と重力のバランスに基づくチャンドラセカールに類似した限界を上回る質量を持つ偽真空ポケットは、重力的収縮を経て収縮する可能性がある。
• フェルミ統計に従う、かつ十分に重い暗黒クォークを含む系では、チャンドラセカール限界付近の安定したフェルミ縮重状態である暗黒矮星が、実現可能な暗黒物質候補として形成される。
• 暗黒クォークがボソン的である場合、または質量がホーキング蒸発の閾値を超える場合には、原始ブラックホールが唯一の最終的状態として形成される。
• 最終状態は、暗黒クォークの質量 m、コンフィネーションスケール Λ、および暗黒セクター温度 T_dark/T_SM に依存し、特定のパrameter領域では観測された暗黒物質密度（図3b）を達成する。
• これらの残滓は、軽いクォークモデルで形成される非重力的フェルミボールとは異なる質量-半径関係（図4）を示す。
• 多宇宙の文脈において、こうした残滓は、標準模型の真空よりも粒子が軽い偽真空におけるインフレ後期の相転移の痕跡となり得る。多宇宙物理学の観測的兆候を提供する可能性がある。