[论文解读] Anti-dark matter: a hidden face of mirror world

Zurab Berezhiani|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 4

一句话总结

本文提出，镜像物质——一种来自隐藏扇区的、与普通物质完全相同的假设性粒子——由于B和L对称性破坏的相互作用，可表现为'反暗物质'，这些相互作用导致镜像中子与普通反中子之间发生振荡。这些振荡具有环境依赖性，并在中子星等致密介质中产生共振增强，从而导致可探测的反粒子产生，为解释宇宙正电子过剩现象以及通过世界间粒子交换实现能量提取提供了一种机制。

ABSTRACT

B and L violating interactions of ordinary particles with their twin particles from hypothetical mirror world can co-generate baryon asymmetries in both worlds in comparable amounts, $Ω'_B/Ω_B \sim 5$ or so. On the other hand, the same interactions induce the oscillation phenomena between the neutral particles of two sectors which convert e.g. mirror neutrons into our antineutrons. These oscillations are environment dependent and can have fascinating physical consequences.

研究动机与目标

• 探讨普通与镜像扇区之间B和L对称性破坏相互作用的宇宙学与天体物理学后果。
• 研究此类相互作用如何在普通世界与镜像世界中生成相当的重子不对称性。
• 考察镜像物质是否可能因振荡现象而在实验中表现为反物质。
• 评估涉及镜像粒子的中子-反中子振荡对中子星和宇宙射线观测的影响。
• 评估利用共振振荡作为假设性世界间反应堆中能量来源的可行性。

提出的方法

• 基于产品规范群 $G \times G'$ 的形式体系，普通（O）与镜像（M）扇区具有相同的拉格朗日量，包括一个混合项 $\mathcal{L}_{\rm mix}$。
• 使用维度5算符 $\mathcal{O}_5 \sim \frac{1}{M}(l\phi)^2 + \text{h.c.}$ 诱导轻子数破坏并生成微小的中微子质量。
• 在致密环境中应用 $n - \bar{n}'$ 振荡哈密顿量，其中 $V$ 与中子费米能 $\mathcal{E} \sim (N/N_{\rm nuc})^{2/3} \times 60$ MeV 成正比。
• 通过 $P_{n\bar{n}'} \sim (\epsilon / \mathcal{E})^2$ 估算振荡速率，其中 $\epsilon$ 为混合矩阵元。
• 对中子星中 $n^\prime \to \bar{n}$ 振荡进行建模，导致 $\bar{n}^\prime$ 产生，并随后衰变为 $\bar{p}^\prime\bar{e}^\prime\nu^\prime_e$，其中 $\bar{p}^\prime$ 因库仑排斥而蒸发。
• 计算中子星中的衰变速率与质量损失：$\Gamma \sim (1/\tau_{n\bar{n}^\prime})^2 \times 10^{-15}$ yr$^{-1}$，当 $\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 10^{-3}$ s 时，$\Gamma^{-1} \sim 10^9$ yr。

实验结果

研究问题

• RQ1 普通与镜像扇区之间的B和L对称性破坏相互作用是否能生成两个世界中相当的重子不对称性？
• RQ2 在何种条件下镜像中子可振荡为普通反中子？其行为如何依赖于环境密度？
• RQ3 中子星中 $n^\prime \to \bar{n}$ 振荡是否能导致可观测的正电子产生，足以解释511 keV伽马射线过剩现象？
• RQ4 中子-反中子振荡对大爆炸核合成中的低氘和锂问题有何影响？
• RQ5 在人工系统中，通过磁场实现的共振 $n^\prime \to \bar{n}$ 转移是否能通过产生的反中子湮灭实现能量提取？

主要发现

• 由于B和L对称性破坏相互作用诱导的镜像中子与普通反中子之间的振荡，镜像物质可在实验中被观测为'反暗物质'。
• 在中子星中，$\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 10^{-3}$ s 的 $n^\prime \to \bar{n}$ 振荡导致衰变率 $\Gamma \sim 10^{-15}$ yr$^{-1}$，在 $10^9$ 年内造成显著的质量损失。
• 每颗镜像中子星的 $n^\prime \to \bar{n}$ 振荡正电子产生速率为 $10^{42}$ yr$^{-1}$，若存在 $\sim 10^5$ 颗此类中子星，则足以解释观测到的511 keV伽马射线过剩。
• 当 $\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 1$ s 时，衰变率过高，导致质量损失过快；但当 $\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 10^{-3}$ s 时，寿命足够长，可在古老中子星中产生可观测效应。
• 镜像氢原子可通过 $D=8$ 算符与普通反氢发生振荡，其中 $M \sim 1$ TeV，振荡时间约为 $\sim 10^{20}$ s，对银河系伽马射线背景具有影响。
• 在磁场中实现的共振 $n^\prime \to \bar{n}$ 转移可利用产生的反中子湮灭实现能量提取，能量输出可达输入反应堆能量的 $10^3$ 倍。