[论文解读] Ultralight Repulsive Dark Matter and BEC

JiJi Fan|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了可在星系中形成玻色-爱instein凝聚态（BEC）的超轻斥力标量暗物质，提出通过五维规范U(1)对称性实现排斥自相互作用的粒子物理机制。结果表明，尽管轴子类模型在特定条件下可产生排斥相互作用，但集体对称性自发破缺会导致相互作用过强，被观测结果排除，从而大幅缩小了宇宙学和天体物理学检验的可行参数空间。

ABSTRACT

Ultralight scalar dark matter with mass at or below the eV scale and pressure from repulsive self-interaction could form a Bose-Einstein condensate in the early Universe and maybe in galaxies as well. It has been suggested to be a possible solution to the cusp/core problem or even to explain MOND phenomenology. In this paper, I initiate a study of possible self-interactions of ultralight scalar dark matter from the particle physics point of view. To protect its mass, the scalar dark matter is identified as a pseudo Nambu-Goldstone boson (pNGB). Quite a few pNGB models with different potentials such as the QCD axion and the dilaton lead to attractive self-interactions. Yet if an axion is a remnant of a 5D gauged U(1) symmetry, its self-interactions could be repulsive provided the masses and charges of the 5D matter contributing to its potential satisfy certain constraints. Collective symmetry breaking could also lead to a repulsive self-interaction yet with too large a strength that is ruled out by Bullet Cluster constraints. I also discuss cosmological and astrophysical constraints on ultralight repulsive dark matter in terms of a parametrization motivated by particle physics considerations.

研究动机与目标

• 从粒子物理角度探索具有排斥自相互作用的超轻标量暗物质的可行性。
• 解决构建一个真实模型的挑战，其中暗物质是具有排斥自相互作用的伪Nambu-Goldstone玻色子（pNGB）。
• 识别可行的粒子物理机制（如五维规范U(1)紧化），在不违反宇宙学或天体物理学约束的前提下产生所需的排斥自相互作用。
• 利用早期宇宙和星系动力学观测结果，对这类模型的参数空间进行约束。

提出的方法

• 使用包含质量、三线性和四线性相互作用的有效场论参数化超轻暗物质的标量势，其动机来自粒子物理。
• 分析暗物质场可形成玻色-爱津凝聚态（BEC）的条件，重点关注引力与排斥自相互作用引起的量子压强之间的平衡。
• 通过一个来自五维规范U(1)规范理论的轴子作为具体实现示例，表明五维物质场的特定电荷和质量约束可导致排斥自相互作用。
• 评估其他竞争模型，如导子和轴子单重力模型，这些模型导致吸引性或过强的排斥性相互作用。
• 应用宇宙学和天体物理学约束，包括早期宇宙动力学和子弹星系团观测，以排除不合理的参数区域。
• 采用受UV完备模型启发的势能参数化方法，系统探索参数空间中的可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有eV量级质量的伪Nambu-Goldstone玻色子（pNGB）暗物质候选者是否能表现出与粒子物理模型一致的排斥自相互作用？
• RQ2 在规范U(1)紧化中，五维物质内容的何种特定条件可导致四维轴子产生排斥自相互作用？
• RQ3 尽管产生排斥相互作用，为何集体对称性自发破缺模型被排除？它们对耦合强度施加了何种约束？
• RQ4 早期宇宙动力学和星系核心结构如何约束具有BEC形成的超轻斥力暗物质的参数空间？
• RQ5 多组分暗物质情景对具有BEC的超轻斥力暗物质的可行性有何影响？

主要发现

• 若五维物质场满足特定的质量和电荷约束，五维规范U(1)紧化可产生具有排斥自相互作用的轴子类暗物质候选者，提供一个可行的粒子物理实现。
• 导子和轴子单重力等模型通常导致吸引性或过强的排斥自相互作用，与观测约束不一致。
• 集体对称性自发破缺可产生排斥相互作用，但导致的耦合强度过大，被子弹星系团观测排除。
• 宇宙学和天体物理学数据，尤其是早期宇宙演化和星系核心剖面，显著约束了超轻斥力暗物质的参数空间。
• 本研究识别出一个狭窄的可行模型窗口——具体而言，某些五维U(1)轴子实现——其中排斥自相互作用既具有理论动机，又与观测一致。
• 未来对超轻暗物质的搜寻应聚焦于弱耦合、排斥自相互作用的模型，特别是那些来自具有受控UV完成的高维规范理论的模型。