[論文レビュー] A common origin for baryons and dark matter

J. García-Bellido, B. J. Carr+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、クォーク・ハドロン転移期における初期ブラックホール（PBH）形成を通じて、バリオンとダークマターの統一的起源を提案する。大規模な非一様性の重力的崩壊が『初期の超新星』に相当する衝撃波を発生させ、電弱スファレオン遷移を駆動することで、局所的にバリオン数の非対称性が生成される。その結果生じるPBHがダークマターを構成し、観測されたバリオン対光子比とバリオンおよびダークマターの同等のエネルギー密度を自然に説明する。

ABSTRACT

The origin of the baryon asymmetry of the Universe (BAU) and the nature of dark matter are two of the most challenging problems in cosmology. We propose a scenario in which the gravitational collapse of large inhomogeneities at the quark-hadron epoch generates both the baryon asymmetry and dark matter in the form of primordial black holes (PBHs). This is due to the sudden drop in radiation pressure during the transition from a quark-gluon plasma to non-relativistic hadrons. The collapse to a PBH is induced by fluctuations of a light spectator scalar field in rare regions and is accompanied by the violent expulsion of surrounding material, which might be regarded as a sort of "primordial supernova" . The acceleration of protons to relativistic speeds provides the ingredients for efficient baryogenesis around the collapsing regions and its subsequent propagation to the rest of the Universe. This scenario naturally explains why the observed BAU is of order the PBH collapse fraction and why the baryons and dark matter have comparable densities. The predicted PBH mass distribution ranges from sub-solar to several hundred solar masses. This is compatible with current observational constraints and could explain the rate, mass and low spin of the black hole mergers detected by LIGO-Virgo. Future observations will soon be able to test this scenario.

研究の動機と目的

• 宇宙のバリオン非対称性（BAU）とダークマターの性質が、共通の物理的過程から生じることを説明すること。
• 宇宙におけるバリオンとダークマターのエネルギー密度が同等であるという謎を解明すること。
• QCD転移期における非平衡状態を通じて、PBH形成とバリオン生成を結びつけるメカニズムを提供すること。
• LIGO-Virgoの観測結果および現在の宇宙論的制約と整合するPBH質量関数を予測すること。
• PBH形成領域の稀少性から、観測された小さなBAUが自然に生じることを示すこと。

提案手法

• クォーク・ハドロン転移期におけるHubbleスケールの放射領域の重力的崩壊をモデル化し、非相対論的ハドロンの形成に伴う放射圧の急激な低下によって引き起こされる。
• エネルギーと運動量の保存則を用いて、崩壊領域からの衝撃波の放出をシミュレートし、『初期の超新星』に類似した現象を再現する。
• 高温で非平衡状態にあるホットスポットにおける電弱スファレオン遷移を適用し、手術的異常を介して局所的なバリオン数を生成する。
• PBHがすべてのダークマターを占める場合、β ≈ η ∼ 10−9 としてPBH質量関数を導出する。ここでγは崩壊効率を表す。
• 重力的ポテンシャルエネルギーの崩壊によるエネルギー放出を推定する：ΔK ≈ (1/γ − 1)MH であり、相対論的粒子の加速を可能にする。
• 曲率フラクチュエーションを生成するためのスペンサー的スカラー場を導入し、崩壊確率が臨界曲率ζcに対して指数関数的に敏感になるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙のバリオン非対称性は、PBH形成時に局所的に激しく発生するプロセスから生じ得るか？
• RQ2 なぜ宇宙におけるバリオンとダークマターのエネルギー密度が同等なのであろうか？
• RQ3 観測された小さなバリオン対光子比η ∼ 10−9 は、PBH形成領域の稀少性によって説明可能であろうか？
• RQ4 クォーク・ハドロン転移は、PBH形成とバリオン生成の両方を満たす十分な条件を提供するであろうか？
• RQ5 予測されるPBH質量関数は、LIGO-Virgoのブラックホール合体観測結果と一致するであろうか？

主な発見

• バリオン非対称性は、PBH形成に伴い生成されるホットスポットにおける電弱スファレオン遷移から生じ、標準模型のCP破れが局所的なバリオン対光子比≥1を生成するのに十分である。
• 観測されたグローバルなバリオン対光子比η ≈ 6 × 10−10 は、光速で伝播する相対論的バリオンによる局所的非対称性の希釈によって生じる。
• PBHがすべてのダークマターを占める場合、Hubble領域の崩壊割合はβ ≈ 10−9 となり、観測されたBAUと一致する。
• 予測されるPBH質量関数は太陽質量付近でピークを示し、太陽質量未満から数100太陽質量の範囲をカバーしており、現在の観測的制約と整合する。
• このシナリオは、QCD時代に起因する共通の起源を通じて、LIGO-Virgoの合体率、質量、および低スピンのブラックホール連星を説明する。
• 将来のLIGO-VirgoデータによるPBH質量関数の測定は、このモデルの予測を直接的に検証する手がかりを提供する。