[論文レビュー] Baryogenesis through baryon capture by black holes

A. D. Dolgov, N. A. Pozdnyakov|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、バリオン数保存の破れを要しない熱平衡状態で作用する、初期ブラックホール（PBH）によるバリオンおよび反バリオンの選択的捕獲を根拠とする、宇宙論的バリオン生成の新規メカニズムを提案する。非対称性は、CPおよびCの破れを伴う相互作用によって生じ、XおよびX̄粒子の散乱断面積に差を生じさせ、反バリオンの優位的捕獲を引き起こし、CP違反に起因する断面積の分裂に比例した正のバリオン非対称性を生成する。

ABSTRACT

A novel mechanism of cosmological baryogenesis through baryon capture by primordial black holes is suggested. In contrast to the conventional scenarios it does not demand non-conservation of baryonic number in particle physics and can proceed in thermal equilibrium. For implementation of this mechanism a heavy superweakly interacting particle a with non-zero baryon number is necessary.

研究の動機と目的

• バリオン数非保存を要しない宇宙論的バリオン生成の新規メカニズムを提案すること。
• 初期ブラックホール（PBH）がバリオンと反バリオンの差異ある捕獲を通じてバリオン非対称性を生成できるかを検討すること。
• 標準のサルカロフ条件とは対照的に、熱平衡状態でもバリオン生成が可能かどうかを調査すること。
• 本メカニズムが機能するための粒子物理学的条件、特に非簡約な断面積を持つCPおよびCの破れを伴う相互作用を同定すること。

提案手法

• 重力的、電磁的、散乱力が作用するPBH周辺のXおよびX̄粒子の運動方程式をモデル化する。
• 運動量移動と散乱断面積を含む流体速度方程式を用いて、XおよびX̄粒子の捕獲速度差を導出する。
• 1ループの放射修正を用いてCP違反に起因する散乱断面積の分裂を推定し、その差がαに比例することを示す。
• 重いH粒子がX + q → H + 2q̄を介して非対称な断面積を可能にする、超対称性にインspiredされたモデルを用いる。
• XおよびX̄散乱の全断面積を分析し、最終状態に初期粒子が含まれない場合に断面積の差が生じることを示す。
• ハッブル膨張率が低下するにつれて非対称性が増大することを示し、より大きなプランク質量（遅い膨張）が好ましいことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン数保存の破れなしに、熱平衡状態でバリオン生成が可能か？
• RQ2 PBHがバリオンよりも反バリオンを優位的に捕獲するためにはどのような条件が必要か？
• RQ3 CPおよびCの破れが、この文脈における粒子と反粒子の異なる散乱断面積をどのように生じさせるか？
• RQ4 放射修正が断面積の必要な非対称性を生成する際に果たす役割は何か？
• RQ5 なぜこのモデルにおいてプランク質量が大きいほどバリオン非対称性が増大するのか？

主な発見

• このメカニズムは熱平衡状態でバリオン非対称性を生成でき、標準的な非熱平衡状態の要請を回避する。
• 非対称性は、XおよびX̄粒子の散乱断面積における微小なCPおよびCの破れに起因する分裂に起因し、δ ∝ αと推定される。
• 仮想Y粒子を含む1ループ補正が、XおよびX̄のプラズマ内での異なる可動性を引き起こす。
• 非対称性は散乱振幅におけるCP違反パラメータに比例し、ハッブル膨張率が低下するにつれて増大する。
• このモデルは、より大きなプランク質量（遅い膨張）がバリオン非対称性を増幅させることを予測するが、これは標準的バリオン生成とは逆である。
• 仮想ブラックホール形成による陽子崩壊は抑制され、寿命τ_p ∼ 10^45年となり、陽子の安定性が保証される。