Primordial gravitational waves from dark strongly-coupled Yang-Mills sectors

Abstract

We perform a comprehensive cosmological analysis of stable scalar glueballs arising in pure SU(N) Yang-Mills theories focusing on N=3,4,5 which serve as natural candidates for models of self-interacting dark matter. The key characteristic of these theories is that they exhibit strong first-order confinement-deconfinement phase transitions which would give rise to a stochastic gravitational wave background. In our investigation we employ an effective thermal theory which relies on results from lattice simulations. We begin by reproducing some key results concerning glueball dark matter including the relic abundance and the equation of state. Thereafter, we perform a detailed analysis of the phase transition and calculation of the thermal parameters. Finally, we conclude the analysis by making a novel prediction for the gravitational wave spectra associated with the first-order phase transitions. With regards to the relic abundance, we find excellent agreement with the previous works utilizing the same approach showing again that glueballs could account for the totality of dark matter. Due to constraints on the temperature of the dark sector, we find that detectable gravitational wave signals can not be produced in the cases where glueballs account for the totality of dark matter.

Popular Abstract (Swedish)

Mörk materia, den osynliga och hypotetiska formen av materia som förutsägs av våra bästa teorier, har än så länge undkommit våra mest direkta detektionsförsök vilket har motiverat fysiker till att komma på nya och desto mer invecklade sätt att ta reda på dess sanna natur. Ett sådant sätt som verkar ha fångat samtligas intresse på senare år är möjligheten att detektera gravitationsvågor som skapats från en kosmologisk fasövergång tidigt i universums historia. En fasövergång är en process där materia övergår från ett tillstånd med särskilda egenskaper (en fas), till ett tillstånd med märkbart andra egenskaper. Om detta sker på kosmologiska skalor, det vill säga i stora delar av universum, kallar vi det för en kosmologisk fasövergång. Skulle en sådan fasövergång vara våldsam nog så kan den ha gett upphov till en detekterbar gravitationsvågsbakgrund som fyller hela universum fram till idag.

I detta arbete utforskar vi en hypotetisk modell för mörk materia som genomgår just denna typ av fasövergång. I själva verket känner vi redan till en snarlik modell som faktiskt existerar i naturen, nämligen den starka växelverkan som beskriver uppbyggandet av protoner och neutroner, byggstenarna för atomkärnor. I denna modell består protoner och neutroner av en kombination av massiva kvarkar som binds ihop av masslösa gluoner. Det är därför rimligt att teoretisera existensen av en liknande "mörk gluon". Mörk i denna benämningen betyder just att det inte är gluonen vi redan känner till.

Vid väldigt höga temperaturer, sådana som endast uppnåtts under ögonblicken efter Big Bang, beskriver våran modell en gas av fria mörka gluoner. Allt eftersom universum och denna gas kyls ner närmar den sig en kritisk temperatur. Vid den temperaturen kan gluonerna övergå till en ny fas där de binder ihop med varandra och bildar vad som kallas, tro det eller ej, "gluonbollar" ("glueballs" på engelska). Denna process sker vid olika tillfällen i olika delar av universum vilket skapar "bubblor" av den nya fasen. Om fasövergången är stark nog, fortsätter bubblorna att expandera och kolliderar med varandra tills hela universum har övergått till den nya fasen.

I denna process frigörs mängder av energi eftersom dessa bubblor utsätter den omgivande plasman för höga tryck, vilket accelererar partiklar intill dess kant till väldigt höga hastigheter. Dessutom finns det enorma mängder energi involverad i kollisionen av två bubblor och turbulens i plasman. Dessa processer kan alla ge upphov till gravitationsvågor. Precis som vanliga vågor karakteriseras gravitationsvågor av en amplitud, "höjden" på vågen, och en frekvens, hur många gånger den svänger upp och ner per sekund. I verkligheten finns det väldigt få vågor som består av endast en frekvens. Därför tittar man på kombinationen av en frekvens med dess tillhörande amplitud, ett så kallat spektrum. Genom att räkna ut hur spektrumet för våran specifika modell ser ut och givet att signalen är stark nog att kunna detekteras kan det jämföras direkt med signaler från gravitationsvågsdetektorer. Ifall man upptäcker signaler som överensstämmer med de vi förutsäger kan det ge trovärdighet till att modellen faktiskt stämmer. Likväl om dem inte upptäcks kan detta utesluta modellens existens till viss del.

• author: Bodin, Ossian
• supervisor: Roman Pasechnik
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSK04 20251
• year: 2025
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Yang-Mills theory, gravitational waves, dark matter, confinement, cosmological phase transition
• language: English
• id: 9196477
• date added to LUP: 2025-06-17 08:18:22
• date last changed: 2025-06-17 08:18:22