[论文解读] New symmetries in microphysics, new stable forms of matter around us

Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 16

一句话总结

本文提出，微观物理中的新对称性可能导致稳定、带电的重轻子和夸克形成复合暗物质，隐藏于难以探测的原子中。它指出原初氦是捕获带负电荷重粒子的关键，且认为宇宙射线和加速器实验对这些粒子的搜索为检验此类模型提供了关键测试。

ABSTRACT

Extension of particle symmetry implies new conserved charges and the lightest particles, possessing such charges, should be stable. Created in early Universe, stable charged heavy leptons and quarks can exist and, hidden in elusive atoms bound by Coulomb attraction, can play the role of dark matter. The problem of this scenario is that in the expanding Universe it is not possible to recombine all the charged particles into elusive "atoms", and positively charged particles, which escape such recombination, bind with electrons in atoms of anomalous isotopes with pregalactic abundance, generally exceeding terrestrial upper limits. Realistic scenarios of composite dark matter, avoiding this problem of anomalous isotope over-production, inevitably predict the existence of primordial "atoms", in which primordial helium traps all the free negatively charged heavy constituents with charge -2. Study of the possibility for such primordial heavy alpha-particle with compensated charge to exist as well as the search for the stable charged constituents in cosmic rays and accelerators provide crucial test for the new forms of stable matter.

研究动机与目标

• 研究涉及标准模型之外稳定带电重费米子的复合暗物质模型在宇宙学上的可行性。
• 通过识别抑制异常同位素过量产生的机制，解决存在稳定带电组分时异常同位素过量的问题。
• 提出原初氦可捕获带负电荷的重费米子，形成稳定、电中性的‘重原子’，这些原子难以探测，但可通过宇宙射线探测。
• 识别可观测信号，如宇宙射线中自由的 anutium 或 A^{--} 粒子，这些粒子源于此类重原子的破坏。
• 通过大型强子对撞机（LHC）上的 ATLAS 等加速器实验，为这类模型提供关键检验。

提出的方法

• 通过引入新的规范对称性（如 SU(3)c × SU(2) × SU(2)′ × U(1)）扩展标准模型，以引入稳定带电重费米子，如 tera-夸克和 tera-轻子。
• 应用新守恒电荷 F = (B−L) − (B′−L′) 确保重费米子的稳定性，并防止其与轻费米子混合。
• 通过重带电组分之间的类库仑相互作用，建模束缚态的形成，如 (UUUEE) 'tera-氦' 原子或 AC-原子。
• 分析原初核合成与再组合动力学，评估异常同位素（尤其是电荷不对称情形下）的丰度。
• 评估这些重原子在星际介质中的存活率与可探测性，重点分析其被银河系宇宙射线破坏的过程。
• 利用宇宙射线对重原子的碎裂模型，估算宇宙射线中自由带电组分（如 [anutium−N̄] 或 A^{--}）的通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 由扩展对称性产生的稳定带电重费米子能否在不导致异常同位素过量的情况下形成寿命长久的复合暗物质？
• RQ2 原初氦在早期宇宙中对稳定和隐藏带负电荷重组分起何种作用？
• RQ3 宇宙射线相互作用如何通过产生自由 anutium 或 A^{--} 组分，揭示隐藏的稳定带电粒子的存在？
• RQ4 观测到的同位素丰度与宇宙射线数据对包含带电组分的复合暗物质模型施加了何种约束？
• RQ5 ATLAS 等加速器实验能否探测到此类复合暗物质中带电组分的存在？

主要发现

• 在电荷不对称模型中，C^{++} 的星系前丰度超出地球观测极限十个数量级，因此必须依赖与新守恒电荷相关的抑制机制。
• 在存在过量反-U 夸克的场景中，正电荷 U-重子的原初丰度被指数级抑制，从而避免异常同位素的过量产生。
• anutium（由过量反-U 夸克和反中子束缚而成）可与 4He 结合形成中性 ANO-氦，该物质可在星际介质中存活。
• 银河系宇宙射线可破坏 ANO-氦，释放出自由的 [anutium−N̄] 组分，其通量可达 4He 的 ∼10^{-7}，可被 PAMELA 和 AMS 实验探测。
• 由 OLe-氦破坏产生的自由 A^{--} 粒子通量估计为 4He 的 ∼10^{-9}，仍可能被当前及未来的空间探测器探测到。
• 在大型强子对撞机（LHC）上，特别是 ATLAS 实验中，对稳定夸克和轻子的搜索被确认为检验复合暗物质中带电组分存在的关键测试。