[论文解读] Primordial nucleosynthesis constraint on massive, stable, strongly interacting particles

R. N. Mohapatra, Vigdor L. Teplitz|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用核合成数据约束了原初宇宙中质量大、稳定、强相互作用的粒子（X）的丰度，发现对于质量高达10 TeV的X粒子，其X-重子比η_X的上限在3×10⁻¹¹至3×10⁻¹⁶之间。这些限制源于对异常核素的搜寻，除非X粒子与核子的相互作用远弱于Λ-N相互作用，否则这些粒子的存在将受到强烈质疑。

ABSTRACT

Heavy, stable, strongly interacting massive particles (X), have recently been discussed by many authors in theoretical and phenomenological contexts. We address the question of constraints on these particles from searches for anomalous nuclei containing them that would be formed during primordial nucleosynthesis. Based on existing data and previous investigations of primordial nucleosynthesis of anomalous nuclei, we find a limit on the abundance ratio $\\eta_X\\equiv n_X/n_B$ in the range of $3\ imes 10^{-11}$ to $3\ imes 10^{-16}$ for masses up to 10 TeV with a possible curious window between 93 to 100 GeV for which there seems to be an absence of data. These bounds are orders of magnitude below the expectations for this abundance based on the standard big bang model and generic properties of strongly interacting particles, but depend on the $X-N$ interaction being sufficiently strong. Our bounds raise serious questions about the existence of such particles in nature. Since we draw heavily on our intuition from information on nuclear forces in the $\\Lambda-N$ system, we estimate how much weaker than the $\\Lambda-N$ potential the $X-N$ potential must be in order to evade these bounds.

研究动机与目标

• 通过原初核合成约束评估大质量、稳定、强相互作用粒子（X）的宇宙学可行性。
• 根据轻核中观测到的异常现象，确定X-重子丰度比η_X = n_X/n_B的限制。
• 在推导出的限制及其与核子相互作用强度的背景下，评估此类粒子在自然界中存在的可能性。
• 估算为避免核合成约束，X-N相互作用相对于Λ-N势能所需减弱的程度。

提出的方法

• 分析现有原初核合成数据，以探测含有X粒子的异常核素。
• 利用X-N相互作用的理论模型，模拟大爆炸核合成期间奇异核素的形成。
• 将含X核素的预测丰度与观测限制进行比较，推导出η_X的上限。
• 借鉴Λ-N体系的物理直觉，估算X-N相互作用强度所需抑制的程度。
• 对为避免探测约束所需最小的X-N势能减弱程度进行数值估计。
• 识别出在93–100 GeV范围内可能存在数据空白。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于大质量、稳定、强相互作用的粒子，其原初丰度比η_X = n_X/n_B的上限可被确定为何值？
• RQ2 在原初核合成过程中形成的异常核素所施加的约束，如何影响X粒子的可行性？
• RQ3 为逃避核合成限制，X-N相互作用的强度需相对于Λ-N力达到何种水平？
• RQ4 为何在X粒子质量为93–100 GeV的窗口内可能存在约束缺失的现象？
• RQ5 为与当前数据保持一致，X-N势能需比Λ-N势能弱到何种程度？

主要发现

• 本文确定了在X粒子质量高达10 TeV的范围内，X-重子丰度比η_X的限制范围为3×10⁻¹¹至3×10⁻¹⁶。
• 在X粒子质量低于93 GeV和高于100 GeV时约束最强，而在93–100 GeV范围内存在显著的数据空白。
• 推导出的限制远小于标准大爆炸模型中强相互作用粒子所预期的量级。
• 除非X粒子与核子的相互作用远弱于Λ-N力，否则此类X粒子的存在将受到质疑。
• 为逃避核合成约束，X-N势能必须显著弱于Λ-N势能，尽管具体阈值取决于X粒子的质量和相互作用动力学。
• 在93–100 GeV窗口内约束的缺失暗示可能存在漏洞，但也暴露出当前观测覆盖中的关键数据空白。