$SU(\mathcal{N})$ baryon formation in the early Universe and dark matter

宇宙の広大で目に見えない構造の中に、ダークマター（暗黒物質）の性質に関する執拗な謎が存在する。私たちは星や銀河を見ることはできるが、宇宙の質量の大部分は隠れたままであり、重力を及ぼしながらも光を放出したり反射したりすることを拒んでいる。数十年にわたり、物理学者たちは、この失われた質量が未発見の粒子で構成されていると提唱してきたが、それらはしばしば単純で孤独な実体として想像されてきた。しかし、別の説得力のある考えによれば、ダークマターは、私たちの肉体を構成する陽子や中性子のように、複雑な複合構造から成っている可能性がある。これらの仮説上の粒子は、私たちの世界における強い核力がクォークを結びつけるのと同様に、新しい種類の力によって結合された「バリオン」であるとされる。宇宙学者にとっての重要な問いは、これらの複雑な構造が、今日私たちが観測しているダークマターとなる前に、どのようにして初期宇宙の混沌とした高エネルギー環境の中で破壊されることなく形成され得たのか、ということである。

研究チームは現在、結合力が多くの「カラー（色）」、すなわちこの新しい力に特有の、電気的な電荷に類似した性質を伴う特定の理論クラスにおける、この形成プロセスを調査している。私たちの馴染み深い世界では、クォークを結びつける力は3つのバリエーションを持ち、それによってクォークは3つのグループとして組み合わさり、安定した粒子を形成する。研究者たちは、もしこの力がもっと多くのバリエーション、具体的には12、18、あるいは21種類あった場合に何が起こるかを探求した。彼らは、宇宙が冷却され、これらの力が作用を開始して自由な粒子を束縛状態へと閉じ込める瞬間をシミュレートすることを目指した。彼らの目的は、これらの複雑な粒子が、安定した中性のダークマター候補として正常に組み立てられるのか、それともプロセスの性質そのものによって構築が阻害されるのかを判断することであった。

シミュレーションは、力のバリエーションが増えるにつれて発生する重大な障害を明らかにした。初期宇宙において、温度が低下するにつれ、自由な粒子が集まり始めた。研究者たちは、粒子がペアを組んでメソン（中間子）と呼ばれる単純な二粒子構造を容易に形成できる一方で、より大きな多粒子バリオンを構築する経路が著しく妨げられることを見出した。この停滞は、単一の粒子を成長中のクラスターへと引き寄せる力が、粒子と反粒子を引き寄せてメソンを形成する力よりもはるかに弱いために起こる。その結果、大きなバリオンの構成要素は、メソンの形成によって急速に消費されてしまう。研究者たちはこれを「ボトルネック」と表現している。つまり、より大きな構造の建設が完了する前に、材料がより単純な競合構造へと転用されてしまうため、複合ダークマター粒子の組み立てラインが詰まってしまうのである。

この効果は、力のバリエーションの数が増えるにつれて劇的に強まる。12種類のバリエーションの場合、研究者たちは、成功裏に形成されたバリオンの数は、より単純なシステムで予想される数に比べて極めて小さな割合に抑制されることを算出した。18種類のバリエら場合、その抑制はさらに極端になり、収量は$10^{23}$分の1にまで減少する。これは、これらの大きなシステムにおいては、安定したバリオンがほとんど生成されないことを意味する。形成される数少ないバリオンは非常に稀であるため、今日観測される全ダークマター量を説明するためには、個々の粒子が信じられないほど重くなければならない。実際、研究された最大のバリエーション数においては、必要な質量は量子力学の法則によって設定された理論的限界を超えるため、そのような重い粒子はこのモデルが記述するような方法では存在し得ないことを示唆している。

モデルを現実的なものにするために、研究者たちは、不安定な粒子が安全に崩壊できるように、粒子が既知の自然界の力と相互作用できる仕組みも整えた。彼らは、私たちの世界のアップ、ダウン、ストレンジ・クォークに似た3種類の粒子を用いたシナリオを構築し、これにより中性で安定したバリオンが存在し、ダークマターとして機能できるようになった。この設定では、不安定なバージョンや電荷を持つバージョンの粒子は、最初の星が形成されるずっと前に無害な放射線へと崩壊するため、既知の宇宙の歴史を妨げることはない。この研究は、これらのモデルにおいて中性で安定したダークマター粒子が理論的に可能であることを確認しているが、それを生成するメカニズムは、力のバリエーションが多い場合にはあまりにも非効率的であり、その結果として生じる粒子は、私たちの宇宙を満たすダークマターの候補としては重すぎることを裏付けている。

この研究の含意は深遠である。それは、もしダークマターがそのような複合構造から成っているのだとしたら、基礎となる力はあまりに多くのバリエーションを持ってはならず、さもなくば宇宙はそれらを十分に生成できないであろうことを示唆している。12種類のような適度な数のバリエーションを持つモデルでは、安定したダークマダー候補が存在し得るが、それは陽子の約10万倍の重さを持つ極めて重いものである必要がある。これは、これらの理論をどのように構築し、検証すべきかに対して厳格な制約を課している。研究者たちは、複合ダークマターという考えは依然として魅力的な可能性ではあるものの、その形成の具体的なメカニズムが強力なフィルターとして機能し、理論の最も複雑なバージョンを排除し、より限定された探索の道筋を示していると結論づけている。