[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出，一种稳定且电中性的六价夸克态（uuddss），称为六价子（sexaquark），质量为1.5–1.8 GeV，可作为暗物质候选者。该模型自然解释了观测到的暗物质遗迹丰度，因强子相互作用而与银河系共同旋转，并解释了旋涡星系中气体分布与旋转曲线之间的相关性，为自相互作用暗物质模型提供了一种非MOND的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 提出一种稳定、味单态的六夸克态（uuddss）作为可行的暗物质候选者，质量小于2(mp + me)。
• 通过大爆炸核合成之前冻结的热退耦机制，自然解释观测到的暗物质与重子物质之比。
• 在不引入MOND的前提下，解释旋涡星系中气体分布与旋转曲线特征之间的观测相关性。
• 通过暗物质-重子相互作用，提供一种暗物质盘形成机制，与近期天体物理学观测一致。
• 提出在e+e−对撞机中通过缺失质量分析探测六价子的实验室搜索策略，对应Υ → SΛ̄Λ̄衰变过程。

提出的方法

• 通过QCD对称性论证估算六价子半径，得到rS ≈ 0.15–0.4 fm，远小于核子尺寸。
• 利用含重夸克的格点QCD模拟推断结合能（约80 MeV），表明在物理夸克质量下具有稳定性。
• 采用热退耦计算模型研究暗物质冻结与遗迹丰度，显示与观测到的ΩDM/Ωb一致。
• 通过有效场论计算暗物质-核子散射截面，估计σSp ≈ (0.25–1)σNN，其值依赖于速度与波函数重叠。
• 模拟星系盘中暗物质动力学，表明与气体的多次散射可导致共同旋转及子结构形成，与气体形态匹配。
• 提出在e+e−对撞机中通过Υ → SΛ̄Λ̄衰变进行缺失质量搜索，利用高Υ产生率与干净末态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种稳定六夸克态（uuddss），可作为质量小于2(mp + me)的可行暗物质候选者？
• RQ2 六价子是否能在不破坏原初核合成的前提下，自然重现观测到的暗物质遗迹丰度？
• RQ3 暗物质-重子相互作用是否能解释旋涡星系中气体分布与旋转曲线特征之间的观测相关性？
• RQ4 暗物质与星系气体的相互作用是否导致形成共旋转、具有结构的暗物质盘？
• RQ5 是否可通过e+e−对撞机中Υ衰变的缺失质量重建方法，在高能实验中发现六价子？

主要发现

• 质量在1.5–1.8 GeV范围内的六价子可自然重现观测到的暗物质遗迹丰度，且不破坏原初核合成。
• 六价子与核子的相互作用截面估计为σSp ≈ (0.25–1)σNN，足以引发与银河系的共同旋转。
• 六价子尺寸小（rS ≈ 0.15–0.4 fm），不会与原子核结合，因此可规避对奇异同素体搜索与超核衰变的约束。
• 该模型通过多次散射机制解释了旋涡星系中气体分布与旋转曲线子结构之间的观测相关性，无需引入MOND。
• 该模型预测，旋转曲线与气体分布不匹配的星系（如UGC7399）可能经历了近期的大型并合事件，从而重置了暗物质分布。
• 在e+e−对撞机中通过Υ → SΛ̄Λ̄衰变进行缺失质量搜索，提供了极具前景的发现通道，目前已记录了数亿次Υ衰变。