[論文レビュー] Dark Matter Particle in QCD

Glennys R. Farrar, Zihui Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、質量 ~2 GeV の安定で中性な六クォークハドロン（uuddss）であるセクサクォーク（S）を、ダークマター候補として提案する。S ダークマターは、QCD相転移期に起こるフリーズアウトによって、自由パrameter を用いずに観測されたダークマター対バリオン比（ΩDM/Ωb ≈ 5.3）を自然に達成し、フラーバー・シングレットのベクトルメソン（V ≈ ω/ϕ）によって媒介される相互作用を経て、S-核子結合が引力的である場合には検出可能な異性体を予測する。

ABSTRACT

We report on the possibility that the Dark Matter particle is a stable, neutral, as-yet-undiscovered hadron in the standard model. The existence of a compact color-flavor-spin singlet sexaquark (S, uuddss) with mass ~2m_p, is compatible with current knowledge. The S interacts with baryons primarily via a Yukawa interaction of coupling strength alpha_SN, mediated by omega and phi vector mesons having mass ~1 GeV. If it exists, the S is a very attractive DM candidate. The relic abundance of S Dark Matter (SDM) is established when the Universe transitions from the quark-gluon plasma to the hadronic phase at ~150 MeV and is in remarkable agreement with the observed Omega_DM/Omega_b = 5.3+-0.1; this is a no-free-parameters result because the relevant parameters are known from QCD. Survival of this relic abundance to low temperature requires the breakup amplitude gtilde

研究の動機と目的

• 安定で中性な六クォークハドロン（セクサクォーク）が、実現可能なダークマター候補として機能しうるかを調査すること。
• このような粒子の残り滓密度が、自由パrameter を用いずに観測されたダークマター密度と一致するかを特定すること。
• 宇宙論的・天体物理学的および直接検出データから、S-核子相互作用強度（αSN）に課される制約を導出すること。
• 異なった実験的シグナル、特に異性体および重イオン衝突やB中間子崩壊における運動量欠損信号を含む、新たな実験的兆候を予測すること。
• 加速器実験、特にビームダンプおよび重イオン衝突装置を用いた場合に、セクサクォークを検出可能なかを評価すること。

提案手法

• 質量 ≈ 2mp であるセクサクォーク（S）を、色・フラーバー・スピン・シングレット uuddss 結合状態としてモデル化する。
• 約 150 MeV の QCD 相転移を用いて、既知の QCD パラメータと統計力学を用いて、S の残り滓密度を計算する。
• S-核子相互作用を、フラーバー・シングレットのベクトルメソン V（≈ ω/ϕ）によって媒介されるヤコビ型ポテンシャルとしてモデル化し、結合強度を αSN とする。
• S-核系散乱断面積 σA を正確に計算するため、ボルン近似を避けて、シュレーディンガー方程式を数値的に解く。
• SNOlab および他のデータを用いて、有効な崩壊頂点 g̃ を制約し、宇宙論的スケールで S の安定性を保証する。
• S-核系結合状態に起因する質量オフセット ≈ 2 amu の異性体が予測され、それらの異性体の専用探索を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定で中性な六クォークハドロン（セクサクォーク）が、自由パrameter を用いずに観測されたダークマター密度を自然に説明できるか？
• RQ2 宇宙論的および直接検出制約と整合する範囲で、S と核子との間の最大許容結合強度 αSN はどの程度か？
• RQ3 摂動論的でない効果（ボルン近似を超えて）が、予測される S-核系散乱断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ4 セクサクォークの検出可能な実験的兆候、特に核結合および運動量欠損事象においては何か？
• RQ5 セクサクォークは相対論的重イオン衝突または B 中間子崩壊で生成・検出可能か？また、最適な探索戦略は何か？

主な発見

• セクサクォークダークマターの残り滓密度は、ΩDM/Ωb ≈ 5 と予測され、観測値 5.3 ± 0.1 と非常に良好に一致し、自由パrameter が一切不要である。
• 残り滓密度を保つためには、有効な崩壊頂点 g̃ が ≤ 2×10⁻⁶ でなければならない。これは、二バリオンからセクサクォークへの遷移確率が抑制されていることから自然に得られる値である。
• S-核系散乱断面積は、αSN に依存してボルン近似の予測値よりも桁違いに大きくも小さくもなるため、摂動論的でない取り扱いが不可欠である。
• S-核子相互作用が引力的で αSN ≳ 0.004 の場合、質量オフセット ≈ 2 amu の異性体が検出可能なレベル（ppb 以上）で予測され、特に酸素や重元素で顕著である。
• 最も有望な検出チャネルは以下の通りである：(1) 地球上試料におけるわずかな質量オフセットを持つ異性体の探索、(2) Υ(1S,2S,3S) 崩壊における運動量欠損信号、(3) 重イオン衝突における長距離相互作用を持つ中性粒子。
• Belle-II や J-Lab での加速器探索は、最終状態におけるバリオン数と奇数の不均衡を介して S を検出可能であるが、現在の実験では発見に至っていない。