[论文解读] A Unified picture of Dark Matter and Dark Energy from Invisible QCD

Andrea Addazi, Antonino Marcianò+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 11

一句话总结

该论文提出一个统一框架，其中暗物质（DM）和暗能量（DE）源自一个具有低尺度自发性手征对称性自发破缺的隐形QCD领域（IQCD）（~10^{-3}–10^{-4} eV）。由此产生的暗π介子凝聚态驱动晚期宇宙加速膨胀，而 confinement 则形成质量约为10^{-14}–10^{-15} M⊙的致密暗星（Mini-MACHOs），从而避开当前的微引力透镜和星系团约束。

ABSTRACT

It has been shown in a companion paper that the late time acceleration of the universe can be accounted for by an extension of the QCD color to a $SU(3)$ invisible sector (IQCD). In this work we discuss a unified framework such the scale of dark chiral-breaking dictates both the accelerated expansion of the universe, and the origin of dark matter. We find that the strong and gravitational dynamics of dark quarks and gluons evolve to eventually form exotic dark stars. We discuss the dynamical complexity of these dark compact objects in light of dark big bang nucleosynthesis. We argue how IQCD favors a halo composed of very compact dark neutron stars, strange/quark stars and black holes, with masses $M_{MACHO}< 10^{-7}M_{\odot}$. This avoids limit from MACHO and EROS collaborations as well as limit from clusters. We also discuss possible phenomenological implications in dark matter searches. We argue that dark supernovae and dark binaries can emit very peculiar gravitational waves signal testable by the LIGO/VIRGO collaboration and future projects dedicated to these aspects.

研究动机与目标

• 在具有低尺度手征对称性破缺的单一隐形QCD领域（IQCD）内统一暗能量与暗物质。
• 通过手征对称性破缺后形成的暗π介子凝聚态的能量密度，解释晚期宇宙加速膨胀。
• 将致密暗星（如暗中子星、奇异夸克星和黑洞）识别为暗物质的主要组分。
• 将该模型与来自微引力透镜（MACHO、EROS）、星系团限制以及太阳系动力学的观测约束相协调。
• 探索可观测的物理现象学信号，包括来自暗超新星和双星系统的引力波，以及行星轨道中的异常现象。

提出的方法

• 采用一个现象学的IQCD模型，包含SU(3)_{D}规范群和两种暗夸克味，以模拟QCD的禁闭和手征对称性破缺动力学。
• 通过类似Nambu-Jona-Lasinio的低能有效理论建模红外动力学，使暗π介子在手征对称性破缺后作为伪戈尔戈斯玻色子出现。
• 计算暗π介子凝聚态的能量密度，显示其渐近趋于一个近似恒定的值，模拟宇宙学常数并驱动晚期加速。
• 利用QCD的标度律和暗物质领域热力学，估算约大爆炸后10亿年时暗强子和奇异暗星的形成。
• 评估质量小于10^{-7} M⊙的Mini-MACHOs通过引力微引力透镜、星系团质量函数以及太阳系轨道异常的可探测性。
• 预测来自暗超新星和Mini-MACHOs双星并合的引力波信号，这些信号可通过LIGO/Virgo及未来探测器评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在隐形QCD领域中，同一手征对称性破缺尺度是否能同时解释暗能量与暗物质？
• RQ2 在IQCD领域中形成的致密暗天体（如暗中子星、奇异星）的天体物理特性及其质量分布为何？
• RQ3 质量小于10^{-7} M⊙的Mini-MACHOs如何避开当前来自微引力透镜和星系团质量函数的观测限制？
• RQ4 IQCD模型中，暗超新星和暗双星系统可能产生何种引力波信号？
• RQ5 太阳系中存在暗致密天体是否可能在行星或卫星轨道中引起可测量的异常？

主要发现

• 暗手征对称性破缺尺度Λ_D ≈ 10^{-3}–10^{-4} eV，同时决定了暗π介子凝聚态的能量密度，后者驱动晚期宇宙加速膨胀。
• 暗夸克在大爆炸后约10亿年时形成强子，产生由致密天体主导的星系晕，其质量M_Mini-MACHO ≈ 10^{-14}–10^{-15} M⊙。
• 由于其极低质量与极高空间密度，这些Mini-MACHOs避开了当前的微引力透镜和星系团约束，其在太阳系中的估计数量在10^6至10^8之间。
• 该模型自然重现了观测到的暗物质密度（约0.3–0.4 GeV/cm³），无需非热生成或类似WIMP的机制。
• 预测暗超新星和Mini-MACHOs双星并合将发射独特的引力波信号，可能被LIGO/Virgo及未来望远镜探测到。
• 行星系统可能拥有暗卫星或Mini-MACHOs环，导致轨道动力学中可观测的偏离，例如地球轨道卫星中的GPS异常。