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

在宇宙那宏大而无形的架构中，存在着一个关于暗物质本质的持久谜团。虽然我们可以看到恒星和星系，但宇宙的大部分质量仍然处于隐藏状态，它们施加着引力，却拒绝发射或反射光线。几十年来，物理学家一直提出，这种缺失的质量是由尚未发现的粒子组成的，并经常将它们想象成简单的、孤立的实体。然而，另一种引人入胜的观点认为，暗物质可能由复杂的复合结构组成，就像构成我们身体原子的质子和中子一样。这些假设的粒子是由于一种新的力结合而成的“重子”，这种力类似于将夸克结合在一起的强核力。对于宇宙学家来说，关键的问题在于，这些复杂的结构如何在早期宇宙那种混乱、高能的环境中形成，而不至于在成为我们今天观察到的暗物质之前就被摧毁。

一支研究小组现在调查了这类特定理论中的形成过程，其中结合力涉及大量的“颜色”（color），这是一个类似于电荷但又针对这种新力的属性。在我们熟悉的世界上，将夸克结合在一起的力量有三种变体，允许它们组合成三个一组以形成稳定的粒子。研究人员探索了如果这种力量拥有更多变体——具体为十二个、十八个甚至二十一个——会发生什么。他们着手模拟当宇宙冷却到足以让这些力量发挥作用，从而将自由漂浮的粒子捕捉进束缚态时的时刻。他们的目标是确定这些复杂的粒子是否能够成功组装成稳定的、中性的暗物质候选者，或者这一过程是否会被这些力量本身的性质所阻碍。

模拟揭示了一个随着力变体数量增加而出现的显著障碍。在早期宇宙中，随着温度下降，自由粒子开始聚集。研究人员发现，虽然粒子可以很容易地配对形成简单的双粒子结构（即介子），但构建更大、多粒子重子的路径却受到了严重阻碍。这种阻碍之所以发生，是因为将单个粒子拉入不断增长的集群中的力量，要比将一个粒子和一个反粒子拉在一起形成介子的力量弱得多。结果，构建大型重子的建筑材料被迅速消耗在介子的形成过程中。研究人员将此描述为一个“瓶颈”：复杂暗物质粒子的组装线发生了拥堵，因为原材料在大型结构完成构建之前，就被转移到了更简单的、具有竞争关系的结构中。

这种效应随着力变体数量的增加而变得异常剧烈。在十二种变体的情况下，研究人员计算出，成功形成的重子数量被抑制到了极小的一个比例，远低于在更简单系统中预期的水平。对于十八种变体，这种抑制更为极端，将产量降低了十的二十三次幂。这意味着对于这些更大的系统，宇宙几乎不会产生任何稳定的重子。少数形成的重子由于极其稀少，以至于为了解释我们今天观察到的暗物质总量，每一个单独的粒子都需要拥有极其巨大的质量。事实上，对于研究的最大的变体数量，所需的质量将超过量子力学定律设定的理论极限，这表明此类重粒子在模型的描述方式下根本无法存在。

为了使模型更具现实意义，研究人员还确保了这些粒子能够以允许不稳定粒子安全衰变的方式与已知自然力进行相互作用。他们构建了一个包含三种类型粒子的情景，类似于我们世界中的上、下和奇夸克，这使得存在一种中性的、稳定的重子来作为暗物质成为可能。在这种设定下，任何不稳定或带电版本的粒子都会在第一颗恒星形成前很久就衰变为无害的辐射，从而确保它们不会干扰已知的宇宙历史。这项研究证实，虽然在中性、稳定的暗物质粒子在这些模型中在理论上是可能的，但创造它的机制对于大量力变体而言效率如此低下，以至于产生的粒子对于填充我们宇宙的暗物质而言会过于沉重，从而无法成为合格的候选者。

这项工作的影响是深远的。它表明，如果暗物质确实是由此类结构组成的，那么底层的力就不能拥有过多的变体，否则宇宙将无法产生足够数量的它们。对于具有中等数量变体的模型（例如十二个），一个稳定的暗物质候选者是可以存在的，但它需要极其沉重，重量约为质子的十万倍。这为这些理论如何构建和测试提出了严格的限制。研究人员总结道，虽然复合暗物质的想法仍然是一个迷人的可能性，但其特定的形成机制充当了一个强大的过滤器，排除了该理论中最复杂的版本，并指向了一条更为狭窄的未来探索之路。