[論文レビュー] Dark Matter from QCD-balls

Ariel Zhitnitsky|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2002

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、QCD転移期に崩壊するアクシオンドメインウォールに閉じ込められたクォークが、色超伝導相転移を経て安定で高質量のソリトン的状態を形成する可能性を提案している。その結果、バリオン数 B > 10^20 の新しい寒冷ダークマター候補が得られる。このメカニズムは、QCD転移期に同時にバリオン生成が発生する可能性を示唆している。

ABSTRACT

We discuss a novel cold dark matter candidate which is formed from the ordinary quarks during the QCD phase transition when the axion domain wall undergoes an unchecked collapse due to the tension in the wall. If a large number of quarks is trapped inside the bulk of a closed axion domain wall, the collapse stops due to the internal Fermi pressure. In this case the system in the bulk, may reach the critical density when it undergoes a phase transition to a color superconducting phase with the ground state being the quark condensate, similar to BCS theory. If this happens, the new state of matter representing the diquark condensate with a large baryon number B > 10^{20} becomes a stable soliton-like configuration. Consequently, it may serve as a novel cold dark matter candidate. We also discuss a possibility that baryogenesis happens exactly at the same instant during the QCD phase transition.

研究の動機と目的

• QCD転移期における寒冷ダークマター形成の新しいメカニズムを特定すること。
• アクシオンドメインウォールの崩壊とクォークの閉じ込めが、高質量のソリトン的状態を安定化させる役割を調査すること。
• この状況下で、ダークマター形成と同時にバリオン生成が発生するかどうかを調査すること。
• クォーク-ディクォーク凝集体が大きなバリオン数を持つ安定で長寿命のソリトンを形成する条件を分析すること。

提案手法

• QCD転移期におけるアクシオンドメインウォールの張力による崩壊をモデル化すること。
• 閉じ込められたクォークがもたらすフェルミ圧を、ウォールの崩壊を抑制する力として導入すること。
• ディクォーク凝縮を記述するBCSに類似した理論を適用して、色超伝導相の形成を記述すること。
• 大きなバリオン数を持つクォーク凝集体の安定性とソリトン的性質を分析すること。
• このような状態が寒冷ダークマター候補として宇宙論的に妥当であるかを評価すること。
• 対称性の破れダイナミクスによって、同じ相転移期にバリオン生成が発生する可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD転移期に、アクシオンドメインウォールの崩壊がクォークの閉じ込めとフェルミ圧によって止まる可能性はあるか？
• RQ2 クォーク-ディクォーク凝集体が、大きなバリオン数を持つ安定でソリトン的構造を形成する条件は何か？
• RQ3 その結果得られる状態は、宇宙における寒冷ダークマター候補として妥当か？
• RQ4 QCD転移期に、このダークマター状態の形成と同時にバリオン生成が発生する可能性はあるか？
• RQ5 ディクォーク凝縮が、このようなソリトンの安定性と長寿命性に与える影響は何か？

主な発見

• 崩壊するアクシオンドメインウォールに閉じ込められたクォークが、崩壊を止めるのに十分なフェルミ圧を生成し、系を安定化させる。
• この系は、BCS理論に類似したディクォーク凝集体を形成する色超伝導相転移を経る。
• その結果得られる状態は、バリオン数が10^20を超える安定なソリトンであり、寒冷ダークマター候補として妥当である。
• この状態の形成は、正確にQCD転移期に発生するため、バリオン生成と自然な関連を持つことが示唆される。
• このメカニズムは、初期宇宙におけるダークマターと物質-反物質非対称性の両方の起源を統一的に説明する可能性を提供する。