[論文レビュー] Antimatter regions in the baryon-dominated Universe

Maxim Khlopov, Sergei G. Rubin+1 more|ArXiv.org|Oct 1, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、インフレーション期におけるバリオン的電荷を帯びたスカラー場の量子揺らぎが、全宇宙的にバリオン優位な宇宙において孤立した反物質領域を生成しうると提案する。これらの領域が8h² kpcより大きい場合、消失を避けられ、反星団に進化する可能性がある。主な観測的特徴は、AMS–02実験で検出可能な$̅{^4\text{He}}$および$̅{^3\text{He}}$核の放射線フラックスである。

ABSTRACT

Quantum fluctuations of a complex, baryonic charged scalar field caused by inflation can generate large domains, which convert later into antimatter regions. As a result the Universe can become globally matter-dominated, with minor contribution of antimatter regions. The distribution and evolution of such antimatter regions could cause every galaxy to be a harbour of an anti-star globular cluster. At the same time, the scenario does not lead to large-scale isocuvature perturbations, which would disturb observable CMB anisotropy. The existence of one of such antistar globular cluster in our Galaxy does not contradict the observed $γ$-ray background, but the expected fluxes of $\bar{ m ^4He}$ and $\bar{ m ^3He}$ from such an antimatter object are definitely accessible to the sensitivity of the coming AMS--02 experiment.

研究の動機と目的

• 大規模な等曲率摂動を伴わずに、全宇宙の物質-反物質非対称性を説明すること。
• インフレーション期における自発的バリオン生成を通じて反物質領域が形成されるプロセスを調査すること。
• このような反物質領域の残渣としての反星団の物理的妥当性を評価すること。
• 宇宙線における反核子フラックスを通じた反物質領域の観測的特徴を同定すること。

提案手法

• 擬スカラー・ニャムブ＝ゴールドストーン型ポテンシャル$V(\theta) = \Lambda^4(1 - \cos\theta)$を有するバリオン的電荷を帯びたスカラー場$\chi$のモデル化。
• スカラー場の位相$\theta$を用いて、非平衡崩壊$\mathcal{L} = g\chi\bar{Q}L + \text{h.c.}$によりバリオン/反バリオン非対称性を生成。
• インフレーション期におけるデ de Sitter 空間内での量子揺らぎの進化をシミュレーションし、有効分散$\delta\theta_{\text{eff}} = H_{\text{infl}}/(2\pi f_{\text{eff}})$を用いる。
• 消滅を避けるために必要な臨界生存サイズ$L_c = 8h^2$ kpcを計算し、反物質領域の生存条件を特定。
• 高密度の反物質前身天体が反星団に重力的収縮するプロセスを評価。
• そのような団塊からの宇宙線フラックス$\overline{^4\text{He}}$および$\overline{^3\text{He}}$を推定し、AMS–02の感度と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション期におけるバリオン的スカラー場の量子揺らぎが、物質優位な宇宙において孤立した反物質領域を生成しうるか？
• RQ2 このような反物質領域が、臨界サイズ$8h^2$ kpcを超える場合、周囲の物質との衝突による消失を避けられるか？
• RQ3 高密度の反物質領域が反星団に進化しうるか？
• RQ4 その結果生じる反核子フラックスは、現在または将来の宇宙望遠鏡実験（AMS–02など）で検出可能か？
• RQ5 このシナリオは、観測されたCMB非等方性および拡散ガンマ線背景と整合的か？

主な発見

• 臨界サイズ$L_c = 8h^2$ kpcを超える物理的サイズの反物質領域は、周囲の物質と衝突しても消失せず、長寿命な反物質領域を形成可能である。
• このモデルは、全宇宙のうち反物質領域の体積分率が$10^{-4}$未満に抑えられ、全宇宙的なバリオン優位性を維持する。
• 有効位相分散$\delta\theta_{\text{eff}} = H_{\text{infl}}/(2\pi f_{\text{eff}})$はインフレーション期に増大し、$N_c$回目のエーフォールでピークに達し、臨界サイズの前身天体を生成可能である。
• 我々の銀河内に存在する反星団の質量は、$10^3M_\odot$から$10^5M_\odot$の範囲にあり、ガンマ線背景制約と整合的である。
• そのような団塊から予想される$\overline{^4\text{He}}$および$\overline{^3\text{He}}$フラックスは、AMS–02実験の感度範囲内にある。
• このシナリオは、CMB非等方性を破壊する大規模な等曲率摂動を避けており、大スケールでの位相分散が$\delta\theta \leq 10^{-3}$に制限されているため成立する。