[论文解读] Dark Matter from QCD-balls

Ariel Zhitnitsky|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2002

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文提出，在强子色禁闭相变期间，束缚于坍缩轴子域壁中的夸克可通过色超导相变形成一种稳定、大质量的类孤子态，从而产生一种新型冷暗物质候选体，其重子数 B > 10^20。该机制还表明，在强子色禁闭相变期间可能同时发生重子数生成过程。

ABSTRACT

We discuss a novel cold dark matter candidate which is formed from the ordinary quarks during the QCD phase transition when the axion domain wall undergoes an unchecked collapse due to the tension in the wall. If a large number of quarks is trapped inside the bulk of a closed axion domain wall, the collapse stops due to the internal Fermi pressure. In this case the system in the bulk, may reach the critical density when it undergoes a phase transition to a color superconducting phase with the ground state being the quark condensate, similar to BCS theory. If this happens, the new state of matter representing the diquark condensate with a large baryon number B > 10^{20} becomes a stable soliton-like configuration. Consequently, it may serve as a novel cold dark matter candidate. We also discuss a possibility that baryogenesis happens exactly at the same instant during the QCD phase transition.

研究动机与目标

• 识别强子色禁闭相变期间冷暗物质形成的全新机制。
• 探讨轴子域壁坍缩与夸克束缚在稳定大质量孤子态中的作用。
• 研究在此情景下重子数生成是否可与暗物质形成同时发生。
• 分析夸克-二夸克凝聚形成具有大重子数的稳定、长寿命孤子态的条件。

提出的方法

• 模拟强子色禁闭相变期间由于张力导致的轴子域壁坍缩。
• 引入束缚夸克产生的费米压强作为抵抗壁坍缩的反向力。
• 应用类似BCS的理论描述色超导相的形成及二夸克凝聚。
• 分析具有大重子数的最终夸克凝聚态的稳定性和孤子特性。
• 评估该状态作为冷暗物质候选体的宇宙学可行性。
• 评估由于对称性自发破缺动力学，重子数生成是否可能在同一相变过程中发生。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强子色禁闭相变期间，束缚夸克产生的费米压强是否足以阻止轴子域壁的坍缩？
• RQ2 在何种条件下，夸克-二夸克凝聚会形成具有大重子数的稳定、类孤子构型？
• RQ3 该形成的态是否是宇宙中冷暗物质的可行候选体？
• RQ4 该暗物质态形成期间，重子数生成是否可与之同时发生？
• RQ5 二夸克凝聚对这种孤子态的稳定性和寿命有何影响？

主要发现

• 束缚于坍缩轴子域壁中的夸克可产生足够的费米压强以阻止坍缩，从而稳定系统。
• 该系统经历相变，形成具有二夸克凝聚的色超导态，类似于BCS理论。
• 形成的态为具有重子数超过10^20的稳定孤子态，是可行的冷暗物质候选体。
• 该态的形成恰好发生在强子色禁闭相变时刻，暗示其与重子数生成存在自然关联。
• 该机制为早期宇宙中暗物质与物质-反物质不对称性的统一起源提供了可能。