[论文解读] Bubbletrons: Ultrahigh-Energy Particle Collisions and Heavy Dark Matter at Phase Transitions

Iason Baldes, Maximilian Dichtl+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文提出，具有超相对论性气泡壁的一阶宇宙相变自然会产生‘气泡对撞机’——即早期宇宙中的超高能粒子对撞机，其中来自不同气泡的相对论性粒子壳层以远超相变尺度的能量发生碰撞。关键结果表明，此类碰撞可产生质量达佩电子伏至大统一尺度的暗物质粒子，质量范围约为~10^6–10^15 GeV，具体取决于相变尺度；这些过程与可通过脉冲星计时阵列、LISA和爱因斯坦望远镜探测到的引力波信号相关联。

ABSTRACT

We initiate the study of `bubbletrons', by which we mean ultra-high-energy collisions of the particle shells that generically form at the walls of relativistic bubbles in cosmological first-order phase transitions (PT). As an application, we calculate the maximal dark matter mass $M_{DM}$ that bubbletrons can produce in a $U(1)$ gauge PT, finding $M_{DM} \sim 10^5/10^{11}/10^{15}$ GeV for PT scales $v_ϕ\sim 10^{-2}/10^3/10^9$ GeV. Bubbletrons realise a novel link between ultra-high-energy phenomena and gravitational waves (GW) sourced at the PT, from nanohertz to megahertz frequencies.

研究动机与目标

• 探索由具有快速移动气泡壁的一阶相变驱动的早期宇宙粒子对撞机的存在及其影响。
• 量化此类情景下通过壳层碰撞可产生的最大暗物质质量。
• 建立由此产生的暗物质产生机制与同一相变所激发的引力波背景之间的联系。
• 识别将高能物理尺度（如大统一理论）与未来的引力波探测器及高能宇宙射线探测器相联系的可观测信号。

提出的方法

• 利用洛伦兹提升因子γ，通过气泡膨胀速度与成核半径建模一阶相变中相对论性气泡壁的动力学，γ由气泡运动速度决定。
• 使用相对论运动学计算从气泡壁反射的粒子壳层能量，基于壁的洛伦兹因子。
• 假设壳层自由传播直至碰撞，利用相对论粒子的质心系能量公式，计算来自不同气泡的壳层之间的碰撞能量。
• 通过截面与相空间积分，推导出此类碰撞中产生的重质暗物质粒子产额。
• 利用体流动模型估算相变产生的引力波谱，通过因果性约束实现标度关系。
• 将暗物质产生尺度与引力波频段相关联，建立可观测信号与高能物理尺度之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 早期宇宙中，由相对论性壳层相互作用引发的粒子碰撞能否超过相变本身的能量尺度？
• RQ2 在U(1)规范相变中，通过壳层碰撞可产生的最大暗物质质量是多少？其与相变尺度有何依赖关系？
• RQ3 此类相变产生的引力波信号与暗物质产生机制之间存在何种关联？
• RQ4 同一相变能否产生可被脉冲星计时阵列、LISA和爱因斯坦望远镜探测到的可观测引力波信号？
• RQ5 在何种条件下，壳层可实现高效自由传播与碰撞？何时多重反射或‘乒乓’效应占主导？

主要发现

• 对于U(1)规范相变，当vϕ ~ 10^{-2} GeV时，气泡对撞机可产生质量高达~10^6 GeV的暗物质；当vϕ ~ 10^3 GeV时，可达~10^{11} GeV；当vϕ ~ 10^8 GeV时，可达~10^{15} GeV。
• 当vϕ较高时，最大暗物质质量趋于饱和，这是由于气泡膨胀速度和洛伦兹因子降低所致，当γ_coll ≈ γ_run时达到平台区。
• 此类相变产生的引力波信号可被脉冲星计时阵列（vϕ ~ 10^{-2} GeV时）、LISA（vϕ ~ 10^8 GeV时）以及爱因斯坦望远镜（vϕ ~ 10^{16} GeV时）探测到。
• 相变必须为强一阶相变（α ≡ (T_n / T_eq)^4 = 1），且β/H ≈ 20，才能实现足够高的壁速，以确保壳层有效形成与碰撞。
• 壳层碰撞能量可远超相变尺度，达到多个数量级，从而实现远重于vϕ的粒子产生。
• 该模型预测引力波信号与来自衰变暗物质的高能宇宙射线之间可能存在潜在关联，或可连接IceCube、KM3NeT、CTA与LHAASO的观测结果。