[论文解读] Dwarf Galaxy Sized Monopoles as Dark Matter?

Jarah Evslin, Sven Bjarke Gudnason|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 84被引用 10

一句话总结

本文提出，在矮椭球星系和低表面亮度星系中，暗物质由弱耦合的 SU(2) 规范场中尺寸与星系相当的't Hooft-Polyakov 磁单极子组成，该规范场具有伴随 Higgs 场和两种费米子味。该模型通过狄拉克量子化和单极子屏蔽，自然解释了观测到的晕结构特性——最小质量、恒定密度核心和 $1/r^2$ 密度分布，预测了至少 $√{2}$ 的离散速度弥散间隙，该预测或已可通过现有数据被证伪。

ABSTRACT

We propose a model of dark matter: galaxy-sized 't Hooft-Polyakov magnetic monopoles in a new, extraordinarily weakly coupled SU(2) gauge sector with an adjoint Higgs field and two flavors of fundamental fermions. We fit the parameters by asserting that the dark matter halos of the lightest dwarf spheroidal (dSph) galaxies consist of a single charge Q=1 monopole. Lensing and wide binary bounds are then easily satisfied and the monopoles form in time to help with CMB fluctuations. In this model dSph and low surface brightness (LSB) halos automatically have (1) A minimum mass - Dirac quantization solves the missing satellite problem, (2) A constant density core (r

研究动机与目标

• 通过提出一种新的暗物质候选者，解决冷暗物质模拟中的缺失卫星问题和尖锐核心差异问题。
• 解释矮椭球星系和低表面亮度星系中观测到的最小质量、恒定密度核心和 $1/r^2$ 密度分布。
• 通过单极子量子化和屏蔽效应，解释低质量晕的缺失以及矮椭球星系中观测到的径向速度弥散模式。
• 通过检验其与强引力透镜、宽双星系统和宇宙微波背景结构形成的一致性，评估基于单极子的暗物质的可行性。

提出的方法

• 假设一个新且极弱耦合的 SU(2) 规范场，包含伴随 Higgs 场和两种基本费米子味，以稳定单极子。
• 应用狄拉克量子化，确保单极子具有量子化的磁荷 $Q=1$，从而导致最小晕质量。
• 利用杰基夫-雷比机制生成四种单极子种类，假设一种轻的种类可屏蔽较重种类之间的排斥相互作用。
• 模拟宇宙相变期间单极子的形成过程，确保其足够早形成，以作为宇宙微波背景涨落的种子。
• 应用让斯方程和晕密度分布，以匹配矮椭球星系和低表面亮度星系中观测到的恒星速度弥散和旋转曲线。
• 引入屏蔽效应，以缓解非 BPS 单极子之间的排斥力，确保星系稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱耦合规范场中，星系尺寸的磁单极子是否能自然产生矮椭球星系中观测到的最小晕质量？
• RQ2 该模型是否能重现矮椭球星系和低表面亮度星系晕中观测到的恒定密度核心和 $1/r^2$ 中间密度分布？
• RQ3 单极子模型能否解释观测到的径向速度弥散模式及其在矮椭球星系中的离散间距？
• RQ4 所提出的单极子模型是否与引力透镜、宽双星系统和宇宙微波背景各向异性观测一致？
• RQ5 该模型能否解释矮星系中低质量晕的缺失以及未观测到的尖锐核心？

主要发现

• 该模型由于狄拉克量子化而预测了最小晕质量，从而解决了缺失卫星问题。
• 它自然产生恒定密度核心和中间 $1/r^2$ 密度分布，与观测到的矮椭球星系和低表面亮度星系的动力学一致。
• 核心半径 $r_1$ 与 $r_1 < r < r_2$ 区间内的恒星速度弥散成正比，将结构与动力学联系起来。
• 半径 $r_2$ 近似与 $Q$ 无关，意味着矮椭球星系晕至少延伸至其半光半径和潮汐半径的十倍以上。
• 该模型预测恒星速度弥散存在至少 $\sqrt{2}$ 的离散间隙，最小允许弥散为下一级最小弥散的 $1/\sqrt{2}$ 倍。
• 该模型可能通过当前斯隆数字巡天数据被证伪，因为预测的速度弥散间隙已接近被排除。