[论文解读] Dark matter from encapsulated atoms

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文提出，暗物质由包裹在真空相中、Higgs真空期望值（VEV）降低的强子物质宏观球体构成，使夸克和核子变轻，原子核结合更紧密。这些暗物质球体——半径约20厘米，质量约10¹¹千克——由于弱相互作用而未被探测到，但如果在致密恒星中爆炸，可能引发伽马射线暴或超高能宇宙射线。

ABSTRACT

We propose that dark matter consists of collections of atoms encapsulated inside pieces of an alternative vacuum, in which the Higgs field vacuum expectation value is appreciably smaller than in the usual vacuum. The alternative vacuum is supposed to have the same energy density as our own. Apart from this degeneracy of vacuum phases, we do not introduce any new physics beyond the Standard Model. The dark matter balls are estimated to have a radius of order 20 cm and a mass of order $10^{11}$ kg. However they are very difficult to observe directly, but inside dense stars may expand eating up the star and cause huge explosions (gamma ray bursts). The ratio of dark matter to ordinary baryonic matter is estimated to be of the order of the ratio of the binding energy per nucleon in helium to the difference between the binding energies per nucleon in heavy nuclei and in helium. Thus we predict approximately five times as much dark matter as ordinary baryonic matter!

研究动机与目标

• 在标准模型之外不引入新物理的前提下，解释观测到的暗物质密度（约临界密度的23%）。
• 通过不同真空相中核结合能的差异，解释暗物质与普通强子物质之比（约5:1）。
• 提出一种暗物质机制，避免在直接探测实验（如DAMA）中被探测到，同时与大爆炸核合成保持一致。
• 探讨此类暗物质球体的天体物理学后果，特别是其在伽马射线暴和超高能宇宙射线中的潜在作用。

提出的方法

• 假设标准模型存在第二种真空相，其Higgs VEV较低（约降低2倍），且与普通真空能量密度简并。
• 利用Weinberg-Salam Higgs机制在替代相中降低夸克和核子质量，增强核结合能，并稳定存在于畴壁内部的强子。
• 应用多重点原理（MPP）来解释多个真空相的简并性，无需引入新物理，将宇宙常数视为在各相中精细调节。
• 将暗物质建模为包裹强子和电子的球形畴壁，通过核子数和结合能考虑估算其质量和半径。
• 利用核子数（约3×10³⁷）和强子物质密度估算球体尺寸（约20厘米半径）和质量（约10¹¹千克），与微引力透镜探测的非探测性一致。
• 分析动力学相互作用：由于截面极低，暗物质球体可无感通过行星和恒星，但在致密恒星核心中可能被捕获。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在标准模型中通过真空简并性解释观测到的暗物质密度及其与普通物质之比（约5倍），而无需引入新粒子？
• RQ2 在Higgs VEV降低的真空相中，被束缚的强子物质的物理属性（尺寸、质量、稳定性）为何？
• RQ3 尽管质量大、丰度高，为何此类暗物质球体在DAMA等直接探测实验中仍不可探测？
• RQ4 若此类暗物质球体在恒星内部发生坍缩或爆炸，是否可解释伽马射线暴或超高能宇宙射线？
• RQ5 这些球体的存在如何影响大爆炸核合成和宇宙微波背景？

主要发现

• 暗物质与普通物质之比被预测约为5，其来源为氦核与重核在单位核子结合能之差的比值。
• 暗物质球体的半径估计约为20厘米，质量量级为10¹¹千克，其质量过大，无法通过微引力透镜探测（仅对大于10⁻⁷ M☉的天体敏感）。
• 这些球体极难被直接探测：它们穿过地球和太阳时能量损失可忽略，且不发生显著相互作用，因此可避开DAMA、EDELWEISS、CRESST和CDMS等实验的探测。
• 若被捕获于致密恒星内部，暗物质球体可能通过膨胀引发爆炸，释放高达恒星静止能量1%的能量——可能解释伽马射线暴。
• 畴壁的坍缩可能引发超高能宇宙射线的产生，或可解决Greisen-Zatsepin-Kuzmin截止问题。
• 该模型与大爆炸核合成一致，因替代真空相保持隔离，不影响原始核素的丰度。