[논문 리뷰] Galaxy Phase-Space Density Data Preclude that Bose-Einstein Condensate be the Total Dark Matter

H. J. de Vega, N. Sánchez|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 06.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 관측된 은하의 위상공간 밀도와 평균 암흑물질 밀도를 사용하여 보즈아인슈타인 응축기(BEC) 암흑물질을 엄격하게 제약한다. BEC 암흑물질의 경우 m ∼10−22 eV의 입자 질량이 필요하며, 이는 탈결합 시 비물리적인 크기의 초상대론적 자유도 수와 관측된 값보다 훨씬 큰 위상공간 밀도를 초래함을 보여주며, BEC 암흑물질이 총 암흑물질 성분일 수 없음을 확실하게 배제한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 관측된 은하 구조를 설명하기 위해 위상공간 밀도와 물질 밀도 제약 조건을 사용하여 보즈아인슈타인 응축기(BEC) 암흑물질이 가능한지 테스트한다.
• 특히 축상 입자와 유사한 초경량 스칼라 BEC가 총 암흑물질 성분으로서의 타당성을 평가한다.
• BEC 암흑물질이 관측된 은하 데이터, 특히 위상공간 밀도 Q와 평균 암흑물질 밀도 ρDM와 일치하는지 평가한다.
• BEC 형성에 대한 열적 및 비열적 탈결합 시나리오의 영향을 분석하고, 입자 질량 제약 조건을 도출한다.
• 중력적으로 결합된 유한한 크기의 BEC가 관측된 은하 위상공간 밀도와 조화를 이룰 수 있는지 확인한다.

제안 방법

• 평균 암흑물질 밀도 ρDM와 위상공간 밀도 Q의 관측된 은하 값들을 주요 제약 조건으로 사용한다.
• 거시적 관측량을 BEC 암흑물질의 양자 통계적 성질과 연결하기 위해 굵은 위상공간 밀도 형식을 적용한다.
• 특히 축상 입자의 생성과 관련하여 열적 평형과 비평형 탈결합 조건 하에서 BEC 형성을 분석한다.
• m ∼10−22 eV를 달성하기 위해 탈결합 시 필요한 초상대론적 자유도 수를 평가하며, 이 수치가 수조를 넘는다는 것을 보여준다.
• 유한한 크기(R ∼ kpc, M ∼10^7 M⊙)의 비균질적이고 중력적으로 결합된 BEC를 고려하고, 그 위상공간 밀도를 계산한다.
• 이론적 BEC 위상공간 밀도 예측값을 관측된 값과 비교하여 배제 기준을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 m ∼10−22 eV인 BEC 암흑물질이 관측된 은하 위상공간 밀도와 물질 밀도와 일치할 수 있는가?
• RQ2 관측된 위상공간 밀도는 탈결합 시 초상대론적 자유도 수에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 진공 불일치를 통해 생성된 축상 암흑물질은 관측된 은하 위상공간 밀도와 호환되는가?
• RQ4 유한한 크기의 중력적으로 결합된 BEC는 관측된 은하 위상공간 밀도를 재현할 수 있는가?
• RQ5 관측된 은하 구조와 일치하기 위해 허용되는 최대 입자 질량은 얼마인가?

주요 결과

• 관측된 은하 위상공간 밀도 Q는 일반적인 크기(R ∼ kpc, M ∼10^7 M⊙)의 중력적으로 결합된 BEC가 예측하는 것보다 60개 이상의 자리수만큼 크다.
• m ∼10−22 eV를 달성하기 위해 탈결합 시 필요한 초상대론적 자유도 수는 수조를 넘으며, 복사 지배 시대에는 물리적으로 불가능하다.
• 진공 불일치를 통해 생성된 축상 암흑물질은 예측 질량이 17개 자리수만큼 너무 크므로 총 암흑물질 성분으로서 배제된다.
• BEC 제인 길이 제약 조건 ∼10−22 eV는 비물리적인 입자 생성 조건을 가정하지 않는 한 관측된 위상공간 밀도와 호환되지 않는다.
• 이론적 위상공간 밀도와 관측된 값 간의 불일치로 인해 BEC 암흑물질은 총 암흑물질 성분으로서 배제된다.
• meV 범위의 축상 입자는 제로점 에너지 양자 진동을 통해 암흑 에너지 기여 가능할 수 있으나, 암흑물질로서는 아님.