[논문 리뷰] Dark Matter Particle in QCD

Glennys R. Farrar, Zihui Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 질량 약 2 GeV인 안정적이고 중성인 6 quark 수반 입자(uuddss)인 세크스쿼크(S)를 암흑물질 후보로 제안한다. S 암흑물질은 QCD 전이 기간 동안 동결점 과정을 통해 자연스럽게 관측된 암흑물질 대 양성자 비율(ΩDM/Ωb ≈ 5.3)을 달성하며, 이는 맛-싱เก릿 벡터 메손(V ≈ ω/ϕ)에 의해 매개되는 상호작용을 통해 이루어지며, S-핵자 결합이 매력적일 경우 검출 가능한 이색 동위원소를 예측한다.

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

연구 동기 및 목표

• 안정적이고 중성인 6 쿼크 수반 입자(세크스쿼크)가 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는지 조사한다.
• 이러한 입자의 잔류 밀도가 자유 매개변수 없이 관측된 암흑물질 밀도와 일치하는지 확인한다.
• 우주론적, 천체물리적 및 직접 탐지 데이터로부터 S-핵자 상호작용 강도(αSN)에 대한 제약 조건을 유도한다.
• 이색 핵종 및 가속기 실험에서의 부족 에너지 신호와 같은 새로운 실험적 서명을 예측한다.
• 특히 빔 덤프 및 고에너지 이온 충돌 설정을 통해 가속기 실험에서 세크스쿼크를 탐지할 수 있는지의 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 질량 ≈ 2mp인 색-맛-스핀 싱เก릿 상태로 세크스쿼크(S)를 모델링한다.
• 약 150 MeV에서의 QCD 전이를 이용해 통계역학 및 알려진 QCD 매개변수를 통해 S의 잔류 밀도를 계산한다.
• 맛-싱게릿 벡터 메손 V(≈ ω/ϕ)에 의해 매개되는 양자역학적 힘을 통해 S-핵자 상호작용을 모델링하며, 상호작용 강도는 αSN로 표현한다.
• 보른 근사법을 피하기 위해 슈뢰딩거 방정식을 수치적으로 해결하여 진정한 S-핵종 산란 단면적 σA를 계산한다.
• SNOlab 및 기타 데이터를 사용하여 S의 안정성을 천체물리적 시간 척도 동안 유지하기 위한 효과적 붕괴 정점 g̃를 제약한다.
• S-핵종 결합 상태로 인해 질량 이격 약 2 amu인 이색 핵종을 예측하고, 이러한 핵종에 대한 전용 탐색을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안정적이고 중성인 6 쿼크 수반 입자(세크스쿼크)가 자유 매개변수 없이 관측된 암흑물질 밀도를 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ2 우주론적 및 직접 탐지 제약 조건과 일치하는 S-핵자 상호작용 강도 αSN의 최대 허용값은 얼마인가?
• RQ3 비파erturbative 효과(보른 근사법을 초월하여)는 예측된 S-핵종 산란 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 세크스쿼크의 검출 가능한 실험적 서명, 특히 핵 결합 및 부족 에너지 사건에서의 신호는 무엇인가?
• RQ5 세크스쿼크는 상대론적 고에너지 이온 충돌 또는 B-메손 붕괴에서 생성되고 탐지될 수 있는가? 최적의 탐색 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 세크스쿼크 암흑물질의 잔류 밀도는 ΩDM/Ωb ≈ 5로 예측되며, 관측된 값 5.3 ± 0.1과 뛰어난 일치를 보이며, 자유 매개변수 없이도 성립한다.
• 잔류 밀도를 유지하기 위해 효과적 붕괴 정점 g̃는 ≤ 2×10⁻⁶여야 하며, 이는 이중 바리온에서 세크스쿼크로의 전이 확률이 억제되어 자연스럽게 기대되는 값이다.
• S-핵종 산란 단면적은 αSN에 따라 보른 근사법 예측보다 수십 배 이상 클 수도, 훨씬 작을 수도 있으며, 이는 비파erturbative 처리가 필수적임을 시사한다.
• S-핵자 상호작용이 매력적일 경우 αSN ≳ 0.004일 때, 질량 이격 약 2 amu인 이색 동위원소가 검출 가능한 수준(ppb 이상)으로 예측되며, 특히 산소 및 더 무거운 원소에서 두드러진다.
• 가장 유망한 탐지 채널은 다음과 같다: (1) 지구 샘플에서 작은 질량 이격을 가진 이색 동위원소를 검색하는 것, (2) Υ(1S,2S,3S) 붕괴에서의 부족 에너지 서명, (3) 고에너지 이온 충돌에서의 장거북성 중성 입자.
• Belle-II 또는 J-Lab에서의 가속기 탐색은 최종 상태에서의 비균형 바리온 수와 스트랭지니스를 통해 S를 탐지할 수 있으며, 현재의 실험들은 이를 발견하지 못했을 것이다.