利用QCD模拟研究了封闭暗区中的相变

一阶相变阶段的符号演示。低能态气泡在空间中任意点成核。如果它们的大小大于临界大小，它们就会膨胀而不是塌缩。膨胀的气泡壁推动黑暗的夸克(黑点)向前，并最终将它们挤压到高能量相的口袋中。夸克携带色电荷，不能进入色中性能量相。因此，它们被迫从黑暗重子中湮灭。暗重子是三种夸克态，它们的净色电荷为零。这些黑暗重子离开了收缩的口袋，构成了今天宇宙的暗物质。在每个凹坑中，只有少数重子存活下来，这些重子由于偶然的机会在凹坑中没有足够的反粒子对应物来湮灭，这导致在每个收缩的凹坑中出现了小型偶然的暗物质与暗反物质的不对称性。图片来源:Asadi等人。

麻省理工学院、耶路撒冷希伯来大学和俄亥俄州立大学的研究人员最近进行了一项研究，研究在有重暗夸克的封闭暗区中，一阶相变可能产生的影响。通过计算机模拟，他们表明在几种情况下，这样的转变可能会导致大量暗物质的减少。他们的分析结果发表在《物理评论快报》上。

“从爱德华·威腾的一篇开创性论文开始，我们的工作建立在研究早期宇宙中有限相变的文献基础上，”进行这项研究的研究人员之一朱里·斯米尔诺夫告诉Phys.org。“当威腾写他的论文时，非交换理论的动力学还没有像今天这样被理解，这一发展得益于高性能计算的大量进步。”

虽然威腾在他的论文中描述的场景并不适用于标准模型所描述的强力，但一个只包含重夸克的暗物质区在理论上会以他在他的工作中描述的方式运行。然而，以往关于重夸克暗区的研究忽略了相变的影响，最终导致了错误的结论。

这一文献上的空白激发了Smirnov和他的同事进行了一项新的研究，专门研究了重夸克暗区一级相变可能产生的影响。他们的工作是由以前不可用的模拟工具的出现而实现的。

“事实上，所谓胶子理论的计算(晶格QCD)模拟数据现在是可用的，这让我们可以使用热力学的方法来理解在这样一个系统中定性发生了什么，”Smirnov说。“使用每单位体积释放的热量输入量，以及气泡壁表面张力，我们能够描述受限阶段的气泡(能量支持的阶段)如何成核和膨胀，占据了整个空间。”

暗重子是一种复合暗扇形粒子。它类似于标准模型中子，其色荷中性是基于它有三种暗夸克颜色(红、绿、蓝)的事实。颜色名称的选择是这样的，可以类比已知的现象，三种颜色(r,g,b)结合成为白色，一个颜色电荷中性的类比。这种结构的一个吸引人的特点是，就像质子在标准模型中寿命很长一样，这种复合暗物质状态被这种电荷分配保护而不会衰变。如果我们想描述一种在宇宙时间尺度上稳定的新型物质，这当然是一个理想的特征。图片来源:Asadi等人。

通过对胶子理论的模拟，斯米尔诺夫和他的同事们能够证明，在广泛的情况下，特别是在暗物质由于守恒量(所谓的暗重子数)而长期存在的情况下，暗物质丰度的显著减少是不可避免的。这通常会导致暗物质的质量比之前预测的要大几个数量级。

斯米尔诺夫说:“我们的发现表明，我们可能需要重新考虑对这种重粒子的搜索策略。”“我们的计算非常普遍，只微弱地依赖于理论的细节，例如，暗物质和可见物质相互作用的确切类型。”

有趣的是，研究人员揭示的机制也适用于与他们所检查的情况相关的不同场景。更具体地说，它也可以应用于暗致密物体可以形成的实例。比萨大学的另一组研究人员基于这项最近的工作在一篇论文中探讨了这种可能性。

因此，这项研究可以作为探索重夸克暗区和其他相关情况下相变的新研究的基础。在他们接下来的研究中，研究人员计划进一步研究有重夸克的封闭暗区，特别是探索暗重子和已知粒子之间的相互作用可能是什么样子的。这些工作的结果可能最终为寻找暗物质的替代策略的发展铺平道路。

“通过预测非常重的暗物质，我们的工作允许我们提出以下问题:如果暗物质与我们的世界的相互作用不是微弱的，只是很少，会怎么样?”斯米尔诺夫说。“换句话说，如果暗物质粒子非常重，它们将很难被发现，因为它们在宇宙中的数量密度很低，即使它们与我们的物质有实质性的相互作用。这个问题可以导致不同的搜索策略，如基于地面或空间的暗物质探测器，而不是地下搜索，因为足够强的相互作用的粒子不会以足够大的速度到达地下探测器，以触发信号。”