[論文レビュー] Quark (Anti) Nugget Dark Matter

Kyle Lawson, Ariel Zhitnitsky|arXiv (Cornell University)|May 27, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、QCD相転移中に形成された巨視的クォーク（反）ナゲットがダークマターを構成すると提案しており、その反物質的対応が観測されたダークマター対可視物質密度比（約5:1）を説明するとする。このモデルはCP対称性の破れを伴うQCD力学を介してバリオゲネシスとダークマターを統一的に説明し、検出可能な拡散放射と宇宙線・電波実験における直接的シグナルを予測する。

ABSTRACT

Prepared for Snowmass 2013 e-Proceedings. We review a testable dark matter model outside of the standard WIMP paradigm in which the observed ratio Omega_{dark} ~ 5 Omega_{visible} for visible and dark matter densities finds its natural explanation as a result of their common QCD origin. Special emphasis is placed on the observational consequences of this model and on the detection prospects for present or planned experiments. In particular, we argue that the relative intensities for a number of observed excesses of emission (covering more than 11 orders of magnitude) can be explained by this model without any new fundamental parameters as all relative intensities for these emissions are determined by standard and well established physics.

研究の動機と目的

• 新たな基本的パラメータを導入せずに、観測された宇宙における物質対ダークマター密度比（Ω_dark ≈ 5Ω_visible）を説明すること。
• QCDとCP対称性の破れに基づいた、バリオゲネシスとダークマター形成の統一的メカニズムを提供すること。
• 宇宙に余剰な反物質が存在しない理由を、巨視的かつ安定な反ナゲットに反粒子を隠すことで説明すること。
• 複数の周波数帯域にわたる観測可能なシグナル（拡散放射および宇宙線実験における直接検出）を予測すること。
• 重イオン衝突実験（RHICおよびLHC）において、このモデルの背後にあるCP対称性の破れによる電荷分離メカニズムを実験的に検証可能にする。

提案手法

• axionドメインウォールの力学を用いて、QCD相転移中にクォークおよび反クォークナゲットの形成をモデル化する。
• QCDにおける誘導されたθ項（θ_ind）を用いてCP対称性の破れを生成し、反ナゲットの形成を優遇する。
• ナゲット形成温度T_form（熱的および力学的要因によって決定）からバリオン数密度比η ≈ 10⁻¹⁰を導出する。
• 質量あたりの有効相互作用断面積（σ/M）∼ B⁻¹/³ ∼ 10⁻¹⁰ cm²/gを計算し、強い相互作用にもかかわらず天体的・宇宙論的制約と整合することを保証する。
• 地球の大気や南極の氷などの密度の高い媒体を通過するナゲットからの熱放射をモデル化し、keVスケールの温度を予測する。
• 銀河的および初期宇宙環境におけるナゲットからの熱放射およびブレムストラール放射を関連付けることで、周波数11桁の範囲にわたる拡散放射をリンクする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視バリオンとダークマターの両方がQCDスケールで起源をもつ場合、観測されたΩ_dark ≈ 5Ω_visible比を説明できるか？
• RQ2 QCDのθ項におけるCP対称性の破れが、QCD相転移中にナゲットよりも反ナゲットの形成を優位に進めるメカニズムは何か？
• RQ3 複数の周波数帯域における拡散宇宙放射において、クォークナゲットの観測的シグナルは何か？
• RQ4 ナゲットが地球の大気を通過する際に生じる微小だが非ゼロの反物質フラックスは、現在または計画中の宇宙線実験で検出可能か？
• RQ5 本モデルにおけるCP奇の電荷分離メカニズムは、RHICおよびLHCでの重イオン衝突実験で実験的に検証可能か？

主な発見

• モデルは、バリオン:反ナゲット:ナゲット比がおおよそ1:2:3であることで、ゼロのネットバリオン数を保ちながらも、Ω_dark ≈ 5Ω_visible比を自然に説明する。
• 有効相互作用強度σ/M ∼ 10⁻¹⁰ cm²/gは、強い相互作用にもかかわらず、宇宙論的および天体的制約と整合することを保証する。
• 密度の高い環境に存在するクォークナゲットはkeVスケールの温度に達し、とくに南極の氷標的にして検出可能な熱的電波放射を発生させる。
• ANITA実験は、電波放射データを用いて、パラメータ空間の広範囲にわたるクォークナゲットの質量および密度を制限できる。
• モデルは、周波数11桁の範囲にわたる相関的な拡散放射を予測し、相対的強度は標準的物理法則によって固定され、絶対的正規化はナゲットのバリオン数B ∼ 10²⁵によって決定される。
• CP対称性の破れによる電荷分離メカニズムは、重イオン衝突実験で実験的にプローブ可能であり、RHICおよびLHCのデータはすでにθ ∼ 1に起因する効果と整合するシグナルを示している。