[论文解读] Superbradyons and some possible dark matter signatures

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|May 26, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 81被引用 13

一句话总结

该论文提出，超光速的超费米子（hypothetical superluminal preons with a critical speed much greater than light）可能构成物理真空和标准粒子的基本组成，为暗物质、暗能量及宇宙射线现象提供统一框架。若它们在真空中自发衰变并发射常规粒子，可解释来自 PAMELA、ATIC、Fermi LAT 和 HESS 的异常电子/正电子信号，而无需引入弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。

ABSTRACT

Superluminal preons (superbradyons) with a critical speed in vacuum much larger than the speed of light would, if they exist, play a fundamental role as constituents of the physical vacuum and of the conventional particles considered in standard theories. Then, standard Lorentz symmetry and quantum mechanics would not be ultimate fundamental properties of space-time and matter. If superbradyons are present as free particles in our Universe, they are expected to couple very weakly to "ordinary" matter, but they can spontaneously decay by emitting standard particles until they reach a speed equal or close to that of light. They would then form a cosmological sea where the relation between inertial and gravitational masses would differ from conventional Physics. Superbradyons may be at the origin of cosmological and astrophysical phenomena usually associated to dark matter, dark energy and inflation. They can also be a source of conventional cosmic rays of all energies. In such a scenario, superbradyon spontaneous decays and similar interactions would be candidates to explain data on electron and positron abundances (PAMELA, ATIC, Fermi LAT, HESS, PPB-BETS) considered as possible dark matter signatures. Superbradyons emitting this radiation may even have comparatively small inertial masses, and kinetic energies not far away from those of the decay events. But in most cases, such "light" superbradyons could not be found at accelerator experiments. We comment on several basic physics and phenomenological issues in connection with the superbradyon hypothesis.

研究动机与目标

• 探讨超费米子——具有超光速临界速度的假设性预子——是否可作为物质与真空的基本组成。
• 研究超费米子在真空中自发衰变如何在宇宙射线及电子/正电子过剩中产生可观测信号。
• 评估超费米子动力学是否能自然解释暗物质、暗能量与暴胀，而无需引入标准 Higgs 或 WIMP 模型。
• 在高能宇宙射线数据与洛伦兹对称性破坏约束的背景下，检验超费米子的可行性。
• 提出一种新机制，将规范玻色子与引力作为超费米子物质真空激发的涌现现象。

提出的方法

• 提出一种修改的相对论性运动学，引入新的临界速度 $ c_s \gg c $，取代洛伦兹对称性中光速对超费米子的定义。
• 将超费米子建模为物理真空的组成，其中标准粒子作为超费米子介质的集体激发（如声子或孤子）出现。
• 提出一种机制，即当超费米子速度超过 $ c $ 时，其可自发衰变为标准粒子，类似于切伦科夫辐射。
• 提出，由此产生的接近 $ c $ 速度的超费米子宇宙海可能产生有效引力与宇宙学效应，包括动力学的宇宙学常数。
• 将该框架应用于解释来自 PAMELA、ATIC、Fermi LAT 和 HESS 的高能电子与正电子谱，作为超费米子衰变的信号。
• 考虑在高能对撞机（如 LHC）中产生超费米子的可能性，尽管其与标准模型粒子的耦合极弱。

实验结果

研究问题

• RQ1 超费米子——具有 $ c_s \gg c $ 的预子——能否为物理真空与标准粒子提供基本描述？
• RQ2 超费米子在真空中自发衰变如何产生与 PAMELA、ATIC 和 Fermi LAT 数据一致的可观测电子与正电子过剩？
• RQ3 速度接近 $ c $ 的超费米子海在宇宙学与天体物理学上具有何种影响，特别是对暗物质与暗能量的影响？
• RQ4 标准规范相互作用与引力能否作为超费米子真空动力学的涌现现象出现，从而避免引入基本 Higgs 玻色子？
• RQ5 超费米子模型在多大程度上能解释 UHECR 成分异常与当前数据未排除的洛伦兹对称性破坏模式？

主要发现

• 超费米子可在真空中衰变并发射标准粒子，产生与 PAMELA、ATIC、Fermi LAT 和 HESS 观测一致的电子与正电子谱。
• 该衰变过程导致接近 $ c $ 速度的超费米子宇宙海形成，其中惯性质量与引力质量可能与标准预期不同。
• 该模型自然地引入了动力学宇宙学常数，并通过将真空视为基本超费米子组成的介质，避免了紫外发散。
• 标准粒子可被视为超费米子真空的集体激发（如声子），暗示规范对称性与 Higgs 机制为涌现而非基本性质。
• 超费米子可能通过特定洛伦兹对称性破坏模式，解释 UHECR 质量组成矛盾（X_max 与 N_μ），使更重的原子核仍与 GZK 截止数据一致。
• 尽管超费米子在 LHC 中因耦合极弱而难以被直接产生，但其与标准粒子的可能混合及约 $ \sim 10^{16} $ eV 的能量阈值表明，间接探测通道值得进一步研究。