重暗重子作为自相互作用暗物质：一个GeV尺度的巧合
Heavy Dark Baryons as Self-Interacting Dark Matter: A GeV-Scale Coincidence
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研究禁闭暗SU(N)理论中重重子作为自相互作用暗物质，推导其相互作用并发现大N下可产生速度依赖截面，对应GeV尺度暗重子，暗示非对称暗物质起源。
中文摘要 AI 辅助
我们在一个具有单个重矢量夸克（m_Q >> Λ_d）的禁闭暗SU(N)规范理论中，研究了由重重子组成的自相互作用暗物质。在该区域，暗重子是紧凑的库仑束缚态，其长距离相互作用可用多极展开描述。我们通过将夸克偶素算子乘积展开形式推广到重重子，推导出主要的重子-重子相互作用。由此产生的力包含非延迟的伦敦色散力、延迟的卡西米尔-波尔德力以及暗胶球交换产生的汤川贡献。我们发现，自相互作用现象学强烈依赖于颜色数N。对于N=2,3，吸引力太弱，无法克服短距离的泡利排斥力，因此在我们最小设置中无法获得现象学上相关的速度依赖性。对于足够大的N，吸引力与排斥核心保持竞争，并能产生强的速度依赖截面。以SU(10)作为有限的N代表性实现，我们发现存在与矮星系和星系团推断的自相互作用要求相兼容的区域，同时在引力热演化相关的低速度下允许更大的截面。这些区域对应于GeV尺度的暗重子，且禁闭尺度接近QCD的禁闭尺度，这自然地暗示了非对称暗物质的起源。
英文摘要
We study self-interacting dark matter composed of heavy baryons in a confining dark $SU(N)$ gauge theory with a single heavy vector-like quark, $m_Q \gg Λ_d$. In this regime, the dark baryons are compact Coulombic bound states whose long-distance interactions can be described by a multipole expansion. We derive the leading baryon-baryon interaction by adapting the quarkonium operator-product-expansion formalism to heavy baryons. The resulting force contains non-retarded London dispersion, retarded Casimir-Polder, and Yukawa contributions from dark glueball exchange. We find that the self-interaction phenomenology depends strongly on the number of colors. For $N=2,3$, the attractive interaction is too weak to overcome the short-distance Pauli repulsion, and no phenomenologically relevant velocity dependence is obtained within our minimal set-up. For sufficiently large $N$, the attractive interaction remains competitive with the repulsive core and can generate strong velocity dependent cross sections. Taking $SU(10)$ as a representative finite-$N$ realization, we find regions compatible with self-interaction requirements inferred from dwarf galaxies and clusters, while allowing much larger cross sections at low velocities relevant for gravothermal evolution. These regions correspond to GeV-scale dark baryons and a confinement scale close to that of QCD, which naturally motivate an asymmetric dark matter origin.
发表机构
- ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics, School of Physics, The University of Melbourne（墨尔本大学物理学院暗物质粒子物理卓越中心）
- Institut für Astroteilchen Physik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院天体粒子物理研究所）
- Departament de Física Teòrica, Universitat de València（瓦伦西亚大学理论物理系）
- Instituto de Física Corpuscular (CSIC-Universitat de València)（粒子物理研究所（瓦伦西亚大学-西班牙国家科学研究委员会））
机构由 AI 辅助整理，请以论文原文为准。
