[论文解读] Composite dark matter from 4th generation

Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文提出，来自第四代夸克族的原初稳定反顶夸克（¯U）过剩可通过形成（¯U¯U¯U）反三价子，进而与⁴He结合生成O-氦‘原子’，从而形成复合暗物质——此类O-氦原子呈电中性、弱相互作用、质量极大，且在宇宙早期即发生退耦，抑制小尺度结构形成，并可规避直接探测的阈值限制，为宇宙射线与高空气球实验提供可检验的信号。

ABSTRACT

Hypothesis of heavy stable quark of 4th family can provide a nontrivial solution for cosmological dark matter if baryon asymmetry in 4th family has negative sign and the excess of anti-U quarks with charge (-2/3) is generated in early Universe. Excessive anti-U antiquarks form (\bar U \bar U \bar U) antibaryons with electric charge -2, which are all captured by ^4He and trapped in [^4He^{++}(\bar U \bar U \bar U)^{--}] O-helium (OHe) ``atom'', as soon as He-4 is formed in Big Bang Nucleosynthesis. Interaction of O-helium with nuclei opens new path to creation heavy nuclides in Big Bang nucleosynthesis. Due to large mass of U quark, (OHe) ``atomic'' gas decouples from baryonic matter and plays the role of dark matter in large scale structure formation with structures in small scales being suppressed. Owing to nuclear interaction with matter cosmic O-helium from galactic dark matter halo are slowed down in Earth below the thresholds of underground dark matter detectors. However, experimental test of this hypothesis is possible in search for (OHe) in balloon-borne experiments and for $U$ hadrons in cosmic rays and accelerators. (OHe) ``atoms'' might form anomalous isotopes and can cause cold nuclear transformations in matter, offering possible way to exclude (or prove?) their existence.

研究动机与目标

• 解决稳定带电暗物质粒子与观测到的异常同位素限制之间的矛盾。
• 提出一种复合暗物质候选者，避免因核转变引发灾难性能量释放。
• 解释原初¯U夸克过剩如何产生与宇宙学观测一致的暗物质密度。
• 识别O-氦与反原子在宇宙射线及加速器实验中的可检验信号。

提出的方法

• 假设第四代夸克具有负号的原初重子不对称性，导致¯U反夸克过剩。
• 通过色-库仑束缚在T < mU时建模（¯U¯U¯U）反三价子的形成。
• 计算表明，这些（¯U¯U¯U）态与⁴He核结合，在大爆炸核合成期间形成中性O-氦‘原子’。
• 利用热力学与结合能估算（r∆ ∼ 1/(αQCD·mU)），证明O-氦稳定且弱相互作用。
• 评估O-氦与物质的相互作用，表明其在地下探测器中减速至低于探测阈值。
• 预测O-氦可通过自由反原子组分在高空气球实验与宇宙射线中被探测到。

实验结果

研究问题

• RQ1 第四代原初¯U夸克过剩能否在不违反同位素丰度约束的前提下形成稳定的复合暗物质？
• RQ2 O-氦原子如何形成？其宇宙学与天体物理学性质为何？
• RQ3 O-氦能否通过在地下探测器中减速至阈值以下而规避直接探测？
• RQ4 O-氦与反原子在宇宙射线及加速器实验中的可观测信号为何？
• RQ5 O-氦能否引发冷核转变而不违反异常同位素的实验上限？

主要发现

• 原初¯U过剩程度为r¯U ∼ 10−12(350 GeV/mU)时，可产生质量为mo ≈ 1.05 TeV/S5的O-氦原子。
• O-氦原子通过（¯U¯U¯U）反三价子与⁴He结合形成，为电中性、弱相互作用的暗物质。
• O-氦在早期与重子物质发生退耦，抑制小尺度结构形成。
• 异常同位素生成量被限制在∼5×10−23/原子以内，低于实验上限。
• 宇宙射线中的O-氦可能产生∆−−3¯U/4He ∼ 10−7，可被PAMELA与AMS探测到。
• O-氦在探测器中被破坏时，能量沉积约为2.5×10−4 eV/A/S5，远低于直接探测阈值。