[논문 리뷰] Dark Matter from QCD-balls

Ariel Zhitnitsky|arXiv (Cornell University)|2002. 02. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 QCD 상전이 기간 동안 붕괴하는 악시온 도메인 월에 갇힌 쿼르크가 색 초전도 상전이를 통해 안정적이고 질량이 큰 솔리톤 유사 상태를 형성할 수 있으며, 이는 이질량 B > 10^20인 새로운 냉각 암흑물질 후보로 이어진다. 이 메커니즘은 QCD 상전이 시점에 동시에 바리온 생성 현상이 발생할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• QCD 상전이 기간 동안 냉각 암흑물질 형성의 새로운 메커니즘을 규명하는 것.
• 악시온 도메인 월 붕괴와 쿼르크 갇힘의 영향을 통해 질량이 큰 솔리톤 상태가 어떻게 안정화되는지 탐구하는 것.
• 이 시나리오에서 암흑물질 형성과 동시에 바리온 생성이 발생할 수 있는지 조사하는 것.
• 쿼르크-이쿼크르 응집체가 큰 바리온 수를 가진 안정적이고 장수하는 솔리톤으로 형성되는 조건을 분석하는 것.

제안 방법

• QCD 상전이 기간 동안 악시온 도메인 월의 붕괴를 진동 에너지에 의해 모델링하는 것.
• 간금한 쿼르크에서 기인하는 페르미 압력이 도메인 월 붕괴를 억제하는 힘으로 작용하는 것을 도입하는 것.
• 이쿼크르 응집체를 형성하는 색 초전도 상전이를 기술하기 위해 BCS 유사 이론을 적용하는 것.
• 큰 바리온 수를 가진 최종 쿼르크 응집체의 안정성과 솔리톤 성질을 분석하는 것.
• 이러한 상태가 냉각 암흑물질 후보로서 천체물리학적으로 타당한지 평가하는 것.
• 대칭 깨짐 역학에 의해 이 상전이 시점에 바리온 생성이 동시에 발생할 수 있는지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD 상전이 기간 동안 악시온 도메인 월의 붕괴가 쿼르크 갇힘과 페르미 압력에 의해 정지될 수 있는가?
• RQ2 쿼르크-이쿼크르 응집체가 큰 바리온 수를 가진 안정적이고 솔리톤 유사 구조로 형성되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 최종적으로 형성된 상태는 우주에서 냉각 암흑물질 후보로 타당한가?
• RQ4 이 암흑물질 상태 형성과 동시에 바리온 생성이 QCD 상전이 기간 동안 발생할 수 있는가?
• RQ5 이쿼크르 응집체가 솔리톤의 안정성과 수명에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 붕괴하는 악시온 도메인 월에 갇힌 쿼르크는 붕괴를 정지시키기에 충분한 페르미 압력을 생성하여 시스템을 안정화시킨다.
• 이 시스템은 BCS 이론과 유사한 방식으로 이쿼크르 응집체를 형성하는 색 초전도 상전이를 겪는다.
• 최종적으로 형성된 상태는 바리온 수가 10^20를 초과하는 안정적 솔리톤을 형성하며, 이는 냉각 암흑물질 후보로 타당하다.
• 이러한 상태의 형성은 정확히 QCD 상전이 시점에 발생하므로 바리온 생성과 자연스럽게 연결된다.
• 이 메커니즘은 초기 우주에서 암흑물질과 물질-반물질 비대칭성의 통합된 기원을 제공한다.