[論文レビュー] Galaxy Phase-Space Density Data Preclude that Bose-Einstein Condensate be the Total Dark Matter

H. J. de Vega, N. Sánchez|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、観測された銀河の位相空間密度と平均的ダークマター密度を用いて、ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）ダークマターを厳密に制約する。BECダークマターに必要な粒子質量 m ∼10−22 eV は、脱結合時の物理的に不自然なほど大きな超相対論的自由度の数を要求し、観測値と比べて著しく大きな位相空間密度を生じる。これは、BECダークマターが全ダークマター成分として成立しないことを明確に排除する。

ABSTRACT

Light scalars (as the axion) with mass m ~ 10^{-22} eV forming a Bose-Einstein condensate (BEC) exhibit a Jeans length in the kpc scale and were therefore proposed as dark matter (DM) candidates. Our treatment here is generic, independent of the particle physics model and applies to all DM BEC, in or out of equilibrium. Two observed quantities crucially constrain DM in an inescapable way: the average DM density rho_{DM} and the phase-space density Q. The observed values of rho_{DM} and Q in galaxies today constrain both the possibility to form a BEC and the DM mass m. These two constraints robustly exclude axion DM that decouples just after the QCD phase transition. Moreover, the value m ~ 10^{-22} eV can only be obtained with a number of ultrarelativistic degrees of freedom at decoupling in the trillions which is impossible for decoupling in the radiation dominated era. In addition, we find for the axion vacuum misalignment scenario that axions are produced strongly out of thermal equilibrium and that the axion mass in such scenario turns to be 17 orders of magnitude too large to reproduce the observed galactic structures. Moreover, we also consider inhomogenous gravitationally bounded BEC's supported by the bosonic quantum pressure independently of any particular particle physics scenario. For a typical size R ~ kpc and compact object masses M ~ 10^7 Msun they remarkably lead to the same particle mass m ~ 10^{-22} eV as the BEC free-streaming length. However, the phase-space density for the gravitationally bounded BEC's turns to be more than sixty orders of magnitude smaller than the galaxy observed values. We conclude that the BEC's and the axion cannot be the DM particle. However, an axion in the mili-eV scale may be a relevant source of dark energy through the zero point cosmological quantum fluctuations.

研究の動機と目的

• 観測された銀河構造を用いて、位相空間密度と物質密度の制約から、ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）ダークマターがその説明に適しているかどうかを検証すること。
• 特にアキソン様粒子を含む超軽量スカラーBECが全ダークマター成分として成立するかを評価すること。
• BECダークマターが観測された銀河データ、特に位相空間密度 Q と平均的ダークマター密度 ρDM と整合するかを評価すること。
• BEC形成における熱的および非熱的脱結合状況の意味を検討し、粒子質量の制約に与える影響を分析すること。
• 重力的に束縛された有限サイズのBECが、観測された銀河の位相空間密度と整合するかを検討すること。

提案手法

• 平均的ダークマター密度 ρDM および位相空間密度 Q の観測銀河値を、主な制約条件として用いる。
• 粗粒度位相空間密度形式を用いて、マクロな観測量をBECダークマターの量子統計的性質に関連付ける。
• 特にアキソン生成に関連する、熱的平衡および非平衡脱結合条件の下でのBEC形成を分析する。
• m ∼10−22 eV を達成するために脱結合時に必要な超相対論的自由度の数を評価し、それが数兆を超えることを示す。
• 有限サイズ（R ∼ kpc、M ∼10^7 M⊙）の不均一で重力的に束縛されたBECを検討し、その位相空間密度を計算する。
• 理論的BEC位相空間密度予測と観測値を比較することで、除外境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 m ∼10−22 eV のBECダークマターは、観測された銀河の位相空間密度と物質密度と整合可能か？
• RQ2 観測された位相空間密度は、脱結合時の超相対論的自由度の数にどのような制約を課すか？
• RQ3 真空中のずれによる生成で生じるアキソンダークマターは、観測された銀河の位相空間密度と整合可能か？
• RQ4 有限サイズで重力的に束縛されたBECは、銀河の観測された位相空間密度を再現可能か？
• RQ5 BECダークマターが観測された銀河構造と整合するための最大許容粒子質量は何か？

主な発見

• 典型的なサイズ R ∼ kpc および質量 M ∼10^7 M⊙ の重力的に束縛されたBECの予測位相空間密度は、観測された銀河の位相空間密度 Q よりも60桁以上も小さい。
• m ∼10−22 eV を達成するために脱結合時に必要な超相対論的自由度の数は、数兆をはるかに超え、放射優勢時代には物理的に不可能である。
• 真空中のずれによる生成で生じるアキソンダークマターは、全ダークマター成分として成立しない。予測される質量は17桁も大きすぎる。
• BECのジェンス長スケール制約（∼10−22 eV）は、物理的に不自然な粒子生成条件を仮定しない限り、観測された位相空間密度と整合しない。
• 理論的位相空間密度と観測値の不一致により、BECダークマターは全ダークマター成分として除外される。
• meV 範囲のアキソンは、ゼロ点量子揺らぎを通じてダークエネルギーに寄与する可能性があるが、ダークマターとしては成立しない。