[論文レビュー] 6-quark Dark Matter

Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、1.5–1.8 GeVの質量を有する安定で中性の6クォーク状態（uuddss）であるセクサクォークが、ダークマターを構成しうると提案している。これは自然に観測されたダークマターの残存密度を説明でき、バリオン相互作用によって銀河と共に共回転し、ディスク銀河におけるガス分布と回転曲線の相関を説明する。これは自己相互作用ダークマターモデルの非-MOND的代替案を提供する。

ABSTRACT

It has recently been proposed that the relatively inert, highly symmetric, neutral flavor singlet scalar hadron made of uuddss quarks may have a mass < 2 (m_p + m_e). This is consistent with QCD theory, and with existing accelerator and non-accelerator constraints. For mass in the 1.5-1.8 GeV range, the observed DM relic abundance and the observed DM to ordinary matter ratio can emerge naturally. Dark matter freezes out before primordial nucleosynthesis and does not significantly impact primordial abundances, so the conventional argument that DM is non-baryonic does not apply. The interaction cross section between DM and the gas in the Galaxy is such that the dark matter in our local neighborhood is naturally co-rotating with the solar system, to a sufficient degree that DM may not have enough energy to be detected in applicable DM experiments. Interaction with the gas in galactic disks provides the first (non-MONDian) explanation for the striking correlation in the small-scale structure of rotation curves and the inhomogeneous distribution of gas, and also accounts (unlike MOND) for instances of galaxies not exhibiting such correlations. Depending on the cross-section, a DM-baryon interaction can produce a dark matter disk as suggested by recent studies, and has many or all virtues of self-interacting DM (SIDM) for removing inconsistencies of LCDM. Lab experiments to discover this particle are discussed.

研究の動機と目的

• 質量 < 2(mp + me) である安定でフレーバー・シングレットな6クォーク状態（uuddss）を、現実的なダークマター候補として提案すること。
• ビッグバン核合成の前における凍結過程を通じて、観測されたダークマター対バリオン比を自然に説明すること。
• ディスク銀河におけるガス分布と回転曲線の相関を、MONDを導入せずに説明すること。
• ダークマターとバリオンの相互作用を通じたダークマター・ディスク形成のメカニズムを提示し、最近の天体物理学的観測と整合させること。
• e+e−衝突型加速器におけるΥ → SΛ̄Λ̄崩壊のミッシングマス解析を用いた、セクサクォークの実験的探索戦略を提案すること。

提案手法

• QCD対称性の議論を用いてセクサクォークの半径を推定し、rS ≈ 0.15–0.4 fmが得られ、これは陽子よりもはるかに小さい。
• 重クォークを用いた格子QCDシミュレーションを用いて、結合エネルギー（約80 MeV）を推定し、物理的クォーク質量における安定性を示唆する。
• 熱的リリーフ計算を用いてダークマターの凍結過程と残存密度をモデル化し、観測されたΩDM/Ωbと整合することを示す。
• 有効場理論を用いてダークマター-陽子散乱断面積を計算し、σSp ≈ (0.25–1)σNNと推定し、速度および波動関数の重なりに依存することを示す。
• ガスとの繰り返し散乱が銀河ディスク内で共回転と構造的不均一性を生じることを、ダークマターの動力学的シミュレーションにより示す。
• e+e−衝突型加速器におけるΥ → SΛ̄Λ̄崩壊のミッシングマス探索を提案し、高効率なΥ生成とクリアな最終状態を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量 < 2(mp + me) である安定な6クォーク状態（uuddss）が、現実的なダークマター候補として存在可能か？
• RQ2 セクサクォークは、原始核合成を破壊することなく、観測されたダークマターの残存密度を自然に再現可能か？
• RQ3 ダークマターとバリオンの相互作用は、ディスク銀河におけるガス分布と回転曲線の特徴の相関を説明可能か？
• RQ4 ダークマターと銀河ガスの相互作用は、共回転する構造的ダークマター・ディスクの形成を引き起こすか？
• RQ5 e+e−衝突型加速器におけるΥ崩壊のミッシングマス再構成を用いて、セクサクォークを発見可能か？

主な発見

• 1.5–1.8 GeVの質量領域に位置するセクサクォークは、原始核合成を乱すことなく、観測されたダークマターの残存密度を自然に再現する。
• セクサクォークと陽子の間の散乱断面積はσSp ≈ (0.25–1)σNNと推定され、銀河と共に共回転を引き起こすのに十分な散乱を可能にする。
• セクサクォークの小さなサイズ（rS ≈ 0.15–0.4 fm）により、原子核への結合が防がれ、異常同位体探索やハイパーヌクレオの崩壊制約を回避する。
• 繰り返し散乱を通じて、MONDを必要とせず、ディスク銀河におけるガス分布と回転曲線の不均一性の相関を説明できる。
• 回転曲線とガス分布が一致しない銀河（例：UGC7399）は、最近の主要合体によってダークマター分布が再設定された可能性があると予測する。
• e+e−衝突型加速器におけるΥ → SΛ̄Λ̄崩壊のミッシングマス探索は、有望な発見チャネルであり、すでに数億件のΥ崩壊が記録されている。