[论文解读] Dark Matter as dark dwarfs and other macroscopic objects: multiverse relics?

Christian Groß, Giacomo Landini+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出，暗物质可能由宏观遗迹组成——如暗矮星或原初黑洞——这些遗迹是在强相互作用的暗物质相变过程中，当重的暗夸克被束缚在假真空泡内时形成的。这些被压缩的泡在量子压力或引力的稳定下发生引力坍缩，形成与轻夸克构成的费米球不同的稳定暗物质候选者。

ABSTRACT

First-order phase transitions can leave relic pockets of false vacua and their particles, that manifest as macroscopic Dark Matter. We compute one predictive model: a gauge theory with a dark quark relic heavier than the confinement scale. During the first-order phase transition to confinement, dark quarks remain in the false vacuum and get compressed, forming Fermi balls that can undergo gravitational collapse to stable dark dwarfs (bound states analogous to white dwarfs) near the Chandrasekhar limit, or to primordial black holes.

研究动机与目标

• 探讨强相互作用暗物质领域中一阶相变的宇宙学影响，其特征为存在重的暗夸克。
• 研究压缩的暗夸克泡在引力坍缩下是否能形成稳定的宏观暗物质遗迹。
• 评估此类遗迹作为暗物质候选者的可行性，特别是在多宇宙情景下的适用性。
• 将这些遗迹的性质与轻暗夸克或标量场模型中形成的遗迹进行比较。
• 考察暗重子不对称性和色超导性在稳定或改变坍缩泡最终状态中的作用。

提出的方法

• 建立一个强相互作用规范场论模型，其中仅包含一个重的暗夸克（m ≫ Λ），其禁闭通过一阶相变实现。
• 利用宇宙学气泡成核和哈勃尺度估算，计算假真空泡的初始大小（R₀ ∼ M_Pl²ᐟ³ / Λ⁵ᐟ³）。
• 应用钱德拉塞卡条件进行引力坍缩（公式22），该条件源自量子压力与引力的平衡。
• 通过反应时间估算，评估粒子反应速率（如q̄q湮灭、重子形成）与引力坍缩之间的竞争。
• 通过能量平衡评估最终状态：若引力主导于热压力和量子压力，则坍缩发生，形成暗矮星或黑洞。
• 使用公式（30）中的条件，判断重子形成能量是否不足以阻止坍缩，从而实现稳定遗迹的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强相互作用的暗物质相变过程中，被束缚在假真空泡内的重暗夸克是否能形成稳定的宏观暗物质遗迹？
• RQ2 在压缩的暗夸克泡中，引力坍缩在何种条件下会主导于粒子反应过程？
• RQ3 此类遗迹的质量与半径与轻夸克模型或标量场模型中形成的遗迹相比有何不同？
• RQ4 在多宇宙背景下，这些遗迹是否可作为可行的暗物质候选者，特别是当它们源自假真空泡时？
• RQ5 暗重子不对称性在促进引力坍缩并防止泡蒸发方面起到何种作用？

主要发现

• 含有重暗夸克的假真空泡若其质量超过由量子压力与引力平衡导出的类似钱德拉塞卡极限，则可发生引力坍缩。
• 当暗夸克为费米子且质量足够大时，可形成稳定的、接近钱德拉塞卡极限的费米简并态物体——即暗矮星，作为可行的暗物质候选者。
• 若暗夸克为玻色子，或质量超过霍金蒸发阈值，则原初黑洞为唯一可能的最终状态。
• 最终状态取决于暗夸克质量m、禁闭尺度Λ以及暗场温度T_dark/T_SM，特定参数区域可产生观测到的暗物质密度（图3b）。
• 这些遗迹具有独特的质量-半径关系（图4），与轻夸克模型中非引力主导的费米球明显不同。
• 在多宇宙背景下，此类遗迹可能是后暴胀相变在假真空中的标志，其中粒子质量轻于标准模型真空中的质量，从而可能观测到多宇宙物理的迹象。