[논문 리뷰] Dark Matter as dark dwarfs and other macroscopic objects: multiverse relics?

Christian Groß, Giacomo Landini외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 06.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 상호작용을 하는 어두운 쿼크가 1차 상전이 과정 중에 가짜 진공의 고리에 갇힐 때, 어둠의 왜성별 또는 초기 블랙홀과 같은 매크로스코픽 잔여물이 어둠의 물질을 구성할 수 있다고 제안한다. 이러한 압축된 고리의 중력 수축은 양자 압력 또는 중력에 의해 안정화될 수 있으며, 이는 경량 쿼크 기반의 페르미 볼과는 다릅니다.

ABSTRACT

First-order phase transitions can leave relic pockets of false vacua and their particles, that manifest as macroscopic Dark Matter. We compute one predictive model: a gauge theory with a dark quark relic heavier than the confinement scale. During the first-order phase transition to confinement, dark quarks remain in the false vacuum and get compressed, forming Fermi balls that can undergo gravitational collapse to stable dark dwarfs (bound states analogous to white dwarfs) near the Chandrasekhar limit, or to primordial black holes.

연구 동기 및 목표

• 강한 상호작용을 하는 어두운 섹터에서 무거운 어둠의 쿼크를 가진 1차 상전이의 천체역학적 영향을 탐색한다.
• 압축된 어둠의 쿼크 고리의 중력 수축이 안정적인 매크로스코픽 어둠의 물질 잔여물을 형성할 수 있는지 조사한다.
• 특히 다중우주 시나리오의 맥락에서 이러한 잔여물이 어둠의 물질 후보로 타당한지 평가한다.
• 경량 어둠의 쿼크 또는 스칼라 장 모델에서 형성된 것과 비교하여 이러한 잔여물의 특성을 조사한다.
• 어둠의 바리온 비대칭과 색 초전도성의 역할이 수축된 고리의 최종 상태를 안정화하거나 변화시키는지 검토한다.

제안 방법

• 1차 상전이로 인해 비편재화되는 강한 상호작용 게이지 이론을 모델링하며, 한 개의 무거운 어둠의 쿼크(m ≫ Λ)를 고려한다.
• 우주론적 기포 핵형성과 허블 척도 추정치를 사용하여 가짜 진공 고리의 初기 크기를 계산한다 (R₀ ∼ M_Pl²ᐟ³ / Λ⁵ᐟ³).
• 중력 수축 조건을 적용한다 (식 22), 이는 양자 압력과 중력의 균형에서 유도된다.
• 반응 속도(예: q̄q 결합, 바리온 형성)와 중력 수축 사이의 경쟁을 반응 시간 추정치를 통해 평가한다.
• 에너지 균형을 통해 최종 상태를 평가한다: 만약 중력이 열 및 양자 압력보다 우세하면, 어둠의 왜성별 또는 블랙홀 형성이 진행된다.
• 식 (30)의 조건을 사용하여 바리온 형성 에너지가 수축을 막지 않는 경우를 판단함으로써 안정한 잔여물 형성 가능성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1차 비편재화 전이 중 어둠의 쿼크가 가짜 진공 고리에 갇힐 때, 안정적인 매크로스코픽 어둠의 물질 잔여물이 형성될 수 있는가?
• RQ2 압축된 어둠의 쿼크 고리에서 중력 수축이 입자 반응 과정보다 지배적인 조건은 무엇인가?
• RQ3 이러한 잔여물의 질량과 반지름은 경량 어둠의 쿼크 또는 스칼라 장 모델에서 형성된 것과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 특히 가짜 진공 고리에서 기인할 경우, 이러한 잔여물이 다중우주 맥락에서 어둠의 물질 후보로 타당한가?
• RQ5 어둠의 바리온 비대칭은 중력 수축을 가능하게 하고 고리의 증발을 방지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 양자 압력과 중력의 균형에서 유도된 찬드라세카르 유사 한계를 초과하는 질량을 가진 가짜 진공 고리가 중력 수축을 겪을 수 있다.
• 어둠의 쿼크가 페르미온이며 충분히 무거운 경우, 안정적인 어둠의 왜성별— Chandrasekhar 한계 근처의 페르미-디제너레이션 물체—이 어두운 물질 후보로 형성될 수 있다.
• 어둠의 쿼크가 보존이거나 질량이 호킹 증발 임계값을 초과할 경우, 유일한 최종 상태는 초기 블랙홀이다.
• 최종 상태는 어둠의 쿼크 질량 m, 비편재화 스케일 Λ, 어둠의 섹터 온도 T_dark/T_SM 에 따라 달라지며, 특정한 매개변수 영역에서 관측된 어둠의 물질 밀도를 만족한다 (그림 3b).
• 이러한 잔여물은 비중력적 페르미 볼과 다른 질량-반지름 관계를 가진다 (그림 4), 이는 경량 쿼크 모델에서 형성된 것과 다릅니다.
• 다중우주 맥락에서 이러한 잔여물은 입자들이 표준모형 진공보다 가벼운 가짜 진공에서의 인플레이션 후 상전이의 지표가 될 수 있으며, 다중우주 물리학의 관측 가능성을 열 수 있다.