[论文解读] Dark Matter Particle in QCD

Glennys R. Farrar, Zihui Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

该论文提出六价子（S）作为暗物质候选者，即一种稳定、中性、由六个夸克组成（uuddss）的强子，质量约为2 GeV。研究表明，S型暗物质通过在QCD相变期间的冻结过程，自然地实现了观测到的暗物质与重子比例（ΩDM/Ωb ≈ 5.3），其相互作用由一个味 singlet 矢量介子（V ≈ ω/ϕ）介导，若S-核子耦合为吸引力，则预测可探测到奇异同位素。

ABSTRACT

We report on the possibility that the Dark Matter particle is a stable, neutral, as-yet-undiscovered hadron in the standard model. The existence of a compact color-flavor-spin singlet sexaquark (S, uuddss) with mass ~2m_p, is compatible with current knowledge. The S interacts with baryons primarily via a Yukawa interaction of coupling strength alpha_SN, mediated by omega and phi vector mesons having mass ~1 GeV. If it exists, the S is a very attractive DM candidate. The relic abundance of S Dark Matter (SDM) is established when the Universe transitions from the quark-gluon plasma to the hadronic phase at ~150 MeV and is in remarkable agreement with the observed Omega_DM/Omega_b = 5.3+-0.1; this is a no-free-parameters result because the relevant parameters are known from QCD. Survival of this relic abundance to low temperature requires the breakup amplitude gtilde

研究动机与目标

• 研究一种稳定、中性的六夸克强子（六价子）是否可作为可行的暗物质候选者。
• 确定此类粒子的遗迹丰度是否无需自由参数即可匹配观测到的暗物质密度。
• 利用宇宙学、天体物理学和直接探测数据，推导S-核子相互作用强度（αSN）的约束条件。
• 预测新颖的实验信号，包括奇异同位素以及重离子和B介子衰变中的缺失能量信号。
• 评估在加速器实验中探测六价子的可行性，特别是通过束流打靶和重离子碰撞实验装置。

提出的方法

• 将六价子（S）建模为一个色-味-自旋单重态uuddss束缚态，质量≈2mp。
• 利用约150 MeV的QCD相变过程，通过统计力学和已知的QCD参数计算S的遗迹丰度。
• 通过味 singlet 矢量介子V（≈ ω/ϕ）介导的Yukawa势建模S-核子相互作用，耦合强度为αSN。
• 通过数值求解Schrödinger方程计算真实的S-核素散射截面σA，避免使用Born近似。
• 利用SNOlab及其他数据约束有效衰变顶点g̃，确保S在宇宙时标内保持稳定。
• 预测由于S-核素束缚态导致质量偏移≈2 amu的奇异核同位素，并提出针对此类同位素的专门探测方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种稳定、中性的六夸克强子（六价子）是否能无需自由参数地自然解释观测到的暗物质密度？
• RQ2 在宇宙学和直接探测约束下，S-核子之间允许的最大耦合强度αSN是多少？
• RQ3 非微扰效应（超出Born近似）如何改变预测的S-核素散射截面？
• RQ4 六价子的可探测实验信号是什么，特别是在核结合和缺失能量事件方面？
• RQ5 六价子是否可在相对论性重离子碰撞或B介子衰变中产生和探测？最优的探测策略是什么？

主要发现

• 六价子暗物质的遗迹丰度预测为ΩDM/Ωb ≈ 5，与观测值5.3 ± 0.1高度一致，且不依赖自由参数。
• 为保持遗迹丰度，有效衰变顶点g̃必须≤ 2×10⁻⁶，此值自然源于双重子到六价子跃迁概率被抑制。
• S-核素散射截面可能比Born近似预测值大或小多个数量级，具体取决于αSN，因此必须采用非微扰处理。
• 对于吸引力S-核子相互作用且αSN ≳ 0.004的情况，预测在可探测水平（ppb或更高）存在质量偏移≈2 amu的奇异同位素，尤其在氧及更重元素中。
• 最具前景的探测通道为：(1) 在地壳样品中搜索质量偏移微小的奇异同位素；(2) 在Υ(1S,2S,3S)衰变中寻找缺失能量信号；(3) 在重离子碰撞中探测长程作用的中性粒子。
• 在Belle-II或J-Lab的加速器实验中，通过末态中不平衡的重子数和奇异数探测S是可行的，尽管当前实验尚未发现它。