[论文解读] Cold Dark Matter: A Gluonic Bose–Einstein Condensate in Anti-de Sitter Space Time

Gilles Cohen-Tannoudji, Jean‐Pierre Gazeau|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 55被引用 10

一句话总结

本文提出，冷暗物质是反 de Sitter (AdS) 时空背景中强子色相变期间形成的胶子玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC)。通过将胶子和双胶子建模为具有振动质量隙的准粒子，该方法重现了约 5.5 的观测暗物质与可见物质比，无需引入新粒子或场，即可将量子色动力学 (QCD) 与宇宙学统一。

ABSTRACT

In the same way as the realization of some of the famous gedanken experiments imagined by the founding fathers of quantum mechanics has recently led to the current renewal of the interpretation of quantum physics, it seems that the most recent progress of observational astrophysics can be interpreted as the realization of some cosmological gedanken experiments such as the removal from the universe of the whole visible matter or the cosmic time travel leading to a new cosmological standard model. This standard model involves two dark components of the universe, dark energy and dark matter. Whereas dark energy is usually associated with the cosmological constant, we propose explaining dark matter as a pure QCD effect, namely a gluonic Bose–Einstein condensate, following the transition from the quark gluon plasma phase to the colorless hadronic phase. Our approach not only allows us to assume a Dark/Visible ratio equal to 11/2 but also provides gluons (and di-gluons, viewed as quasi-particles) with an extra mass of vibrational nature. Such an interpretation would support the idea that, apart from the violation of the matter/antimatter symmetry satisfying the Sakharov’s conditions, the reconciliation of particle physics and cosmology needs not the recourse to any ad hoc fields, particles or hidden variables.

研究动机与目标

• 在不引入人为场或粒子的前提下，将粒子物理标准模型与宇宙学统一。
• 仅通过基于 QCD 的机制解释观测到的暗物质与可见物质比（≈5.5）。
• 为反 de Sitter 时空中的胶子玻色-爱因斯坦凝聚态作为暗物质提供理论基础。
• 统一两种先前的方法：一种将暗物质与引力势能（世界物质）联系起来，另一种将暗物质与 AdS 时空中的几何质量联系起来。
• 证明非微扰 QCD 效应可产生一个标量‘希格斯型’‘稀释子’场，具有墨西哥帽势能，作为暗物质准粒子凝聚态。

提出的方法

• 采用 Wigner 在 de Sitter/反 de Sitter 时空中的基本系统定义本征质量，以推导几何质量贡献。
• 将宇宙常数 Λ 建模为共动参考系中世界物质密度的产物，将其与反 de Sitter 曲率关联。
• 在 QCD 强子化相变点 δ（图 2）应用玻色-爱因斯坦凝聚形式化方法，处理胶子与双胶子。
• 将标量协变量子场 φ（一个‘稀释子’场）用作非微扰 QCD 效应的集体激发，具有类似希格斯的势能。
• 从 AdS 曲率与宇宙常数 ΛdS 推导出临界温度 Tc ≈ 10⁴ K 与凝聚态粒子数 NG ≈ 5 × 10⁸⁸。
• 将凝聚态的有效质量隙与模糊暗物质模型中观测到的 10⁻²² eV 尺度相匹配，但其机制源于 QCD 动力学而非新粒子。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷暗物质能否被解释为源于 QCD 相变的胶子玻色-爱因斯坦凝聚态？
• RQ2 在反 de Sitter 时空中的几何质量贡献是否能自然解释观测到的暗物质与可见物质比？
• RQ3 非微扰 QCD 效应能否产生一个标量场（稀释子），其行为如同具有振动质量隙的暗物质准粒子？
• RQ4 观测到的宇宙常数 ΛdS 是否与 AdS 背景中凝聚态的能量密度一致？
• RQ5 该模型如何在不引入新基本粒子的前提下，解决标准冷暗物质模型的核晕/尖峰问题与小尺度问题？

主要发现

• 该模型通过 QCD 相变动力学重现了 11/2 = 5.5 的暗物质与可见物质比，与观测值 27/5 = 5.2 接近。
• 胶子 BEC 形成的临界温度估计为 Tc ≈ 10⁴ K，对应物质主导时代。
• 凝聚态中双胶子的数量估计为 NG ≈ 5 × 10⁸⁸，与胶子相对于重子的丰度一致。
• 宇宙常数推导为 ΛdS ≈ 1.36 × 10⁻⁴⁴ m⁻²，当通过凝聚态参数缩放时，与观测值一致。
• 双胶子准粒子的有效质量隙估计为 ~10⁻²² eV，与模糊暗物质模型所需的尺度匹配。
• 源自非微扰 QCD 的标量‘稀释子’场 φ 为暗物质提供了几何与动力学起源，而无需引入新基本粒子。