[論文レビュー] Dark matter from encapsulated atoms

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、ヒッグス真空期待値（VEV）が低下した準安定な真空状態に閉じ込められたバリオンから成る巨視的物質塊が暗黒物質を構成すると提案する。この状態ではクォークや核子が軽くなり、核結合エネルギーが増加する。質量約10¹¹ kg、半径約20 cmのこの暗黒物質塊は、弱い相互作用ゆえに検出不能であるが、高密度星内で爆発すればガンマ線バーストや超高エネルギー宇宙線を引き起こす可能性がある。

ABSTRACT

We propose that dark matter consists of collections of atoms encapsulated inside pieces of an alternative vacuum, in which the Higgs field vacuum expectation value is appreciably smaller than in the usual vacuum. The alternative vacuum is supposed to have the same energy density as our own. Apart from this degeneracy of vacuum phases, we do not introduce any new physics beyond the Standard Model. The dark matter balls are estimated to have a radius of order 20 cm and a mass of order $10^{11}$ kg. However they are very difficult to observe directly, but inside dense stars may expand eating up the star and cause huge explosions (gamma ray bursts). The ratio of dark matter to ordinary baryonic matter is estimated to be of the order of the ratio of the binding energy per nucleon in helium to the difference between the binding energies per nucleon in heavy nuclei and in helium. Thus we predict approximately five times as much dark matter as ordinary baryonic matter!

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を導入せずに、観測された暗黒物質密度（臨界密度の約23％）を説明すること。
• 代替の真空状態における核結合エネルギーの違いを通じて、暗黒物質と通常のバリオン物質の比（約5:1）を説明すること。
• 直接検出実験（例：DAMA）で検出されないメカニズムを提案するとともに、ビッグバン核合成と整合性を保つこと。
• このような暗黒物質塊の天体物理学的影響、特にガンマ線バーストおよび超高エネルギー宇宙線における可能性を検討すること。

提案手法

• 標準模型に第二の真空状態が存在すると仮定し、ヒッグスVEVが約2倍低下した状態で、通常の真空とエネルギー密度が縮退している。
• ワインバーグ＝サラムのヒッグス機構を用い、代替状態においてクォークおよび核子の質量を低下させ、核結合エネルギーを増加させ、ドメインウォール内でのバリオン安定化を実現する。
• 複数の真空状態の縮退を説明するため、複数の点原理（MPP）を用い、新しい物理を導入せず、宇宙定数を複数の状態で微調整されたものとみなす。
• 暗黒物質をバリオンおよび電子を閉じ込めた球状ドメインウォールとしてモデル化し、核子数と結合エネルギーの考察から質量および半径を推定する。
• 核子数（約3×10³⁷）とバリオン質量密度を用いて、ボールのサイズ（約20 cmの半径）および質量（約10¹¹ kg）を推定し、マイクロレンズ観測で検出されないことに整合する。
• 動的相互作用を分析：暗黒物質塊は低断面積のため、惑星や恒星を通過しても検出不能であるが、高密度星の内部で捕獲される可能性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の真空縮退によって、観測された暗黒物質密度と通常物質との比（約5倍）を、新しい粒子を導入せずに説明できるか？
• RQ2 ヒッグスVEVが低下した真空状態に閉じ込められたバリオン物質の物理的性質（サイズ、質量、安定性）は何か？
• RQ3 それらの暗黒物質塊は質量および豊度が大きくても、DAMAのような直接検出実験で検出されないのはなぜか？
• RQ4 このような暗黒物質塊が恒星内部で崩壊または爆発することで、ガンマ線バーストや超高エネルギー宇宙線が発生する可能性はあるか？
• RQ5 これらの塊の存在がビッグバン核合成および宇宙マイクロ波背景に与える影響は何か？

主な発見

• 暗黒物質と通常物質の比は、ヘリウムの核子あたり結合エネルギーと、重い核の結合エネルギーの差の比から、約5と予測される。
• 暗黒物質塊の半径は約20 cm、質量は10¹¹ kg程度と推定され、マイクロレンズ検出に感度を持つ対象（>10⁻⁷ M☉）よりも重いため検出不能である。
• これらの塊は直接検出が極めて困難である：地球および太陽を通過してもエネルギー損失や相互作用がほとんどなく、DAMA、EDELWEISS、CRESST、CDMSなどの実験で検出されない。
• 高密度星に捕獲された場合、塊が星の物質を通過して膨張することで爆発を引き起こし、星の静止エネルギーの最大1％を放出する可能性がある。これはガンマ線バーストを説明する要因となる。
• ドメインウォールの衝撃的収縮も、超高エネルギー宇宙線の生成をもたらす可能性があり、グライゼン＝ザツェピン＝クズミン切断問題の解決に寄与する可能性がある。
• モデルはビッグバン核合成と整合的であり、代替の真空状態は孤立したままであり、原始核種の同位体比に影響を与えない。