[論文レビュー] Electroweak/GUT Domain Wall by Hawking Radiation: Baryogenesis and Dark Matter from Several Hundred kg Black Holes

Yukinori Nagatani|ArXiv.org|Dec 7, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、数100 kg級の原始ブラックホールがホーキング放射を通じて電弱およびGUTスケールのドメイン壁を生成し、CP対称性の破れを伴う位相を介してバリオゲネシスを可能にするとともに、冷たいダークマターを構成する可能性がある帯電ブラックホールの残渣（"ブラックアトム"）を生じると提案する。このモデルは、120–280 eVにピークを持つ宇宙背景の重力子背景を予測し、プランクスケールの残渣から由来するバリオン数とダークマターの統一的起源を提示する。

ABSTRACT

A spherical domain wall around a small black hole is formed by the Hawking radiation from the black hole in the symmetry-broken-phase of the field theory, e.g., the Standard Model (SM) and the Grand Unified Theory (GUT) which have a property of the phase transition. We have obtained two types of the spherical domain wall; (a) thermalized wall which is formed by the local heating up near black hole and symmetry restore locally and (b) dynamical wall which is formed by the balance between the pressure from the Hawking radiation and the pressure from the wall tensions. The electroweak wall is formed as a thermalized wall around a black hole with mass of the several hundred kilogram. The GUT wall is formed as a dynamical wall around much smaller black hole. The electroweak wall around a black hole can produce baryon number by the assumption of the CP-broken phase in the wall. The GUT wall can supply charge into the black hole, namely, the wall causes the spontaneous charging up of the black hole. We propose a cosmological model which can explain the origin of the baryon number and the cold dark matter by the primordial black hole with mass of the several hundred kilogram.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホールを用いて、初期宇宙におけるバリオン数と冷たいダークマターの起源を説明すること。
• 対称性が破れた状態におけるホーキング放射によって、小さなブラックホールの周囲にドメイン壁が形成される仕組みを調査すること。
• とりわけ、冷たいダークマター候補としての可能性を有する帯電ブラックホールの残渣の宇宙論的影響を探索すること。
• GUTスケールの相転移の文脈において、非熱化されたドメイン壁の安定性と力学的性質を分析すること。
• 蒸発した原始ブラックホールから生じる宇宙背景の重力子背景を予測すること。

提案手法

• 標準模型における局所的熱平衡とエネルギー移動解析を用い、ホーキング放射による局所的加熱によって生じる熱化された電弱ドメイン壁の形成をモデル化する。
• ホーキング放射圧（1/r²に比例）と壁の張力圧（-1/rに比例）のバランスをとることで、定常的ドメイン壁形成の条件を導出する。
• 粒子の反射が外向きの圧力を及ぼす非熱化GUTスケールドメイン壁に対して、動的安定性解析を適用する。
• ヒッグス場のプロファイルと温度分布T(r)を用い、⟨ϕ(r)⟩ = ⟨ϕ⟩_T(r)として、局所的熱平衡を仮定してドメイン壁の構造を定義する。
• ホーキング放射からの電荷輸送を模倣したCKN機構に類似したメカニズムにより、ブラックホールの残渣が自発的に帯電することを分析する。
• 点粒子近似と陽電子水素に類似した崩壊モデルを用いて、負に帯電した残渣が陽子を捕獲して形成される"ブラックアトム"の寿命と安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さなブラックホールからのホーキング放射が、電弱およびGUT相において安定なドメイン壁の形成を引き起こすことは可能か？
• RQ2 ドメイン壁領域におけるCP対称性の破れは、どのようにバリオゲネシスを可能にするか？
• RQ3 プランクスケールの質量を有する蒸発した原始ブラックホールの残渣が、冷たいダークマターを説明できるか？
• RQ4 極限状態の帯電ブラックホールの残渣の宇宙論的運命は何か？また、それらは"ブラックアトム"のような安定な束縛状態を形成できるか？
• RQ5 蒸発した原始ブラックホールから予測される重力子背景のエネルギースペクトルとエネルギー密度は何か？

主な発見

• 70 kgから400 kgの質量のブラックホールの周囲に、ホーキング放射による局所的加熱によって熱化された電弱ドメイン壁が形成される。
• GUTスケールのドメイン壁は、ホーキング温度がGUTスケールを超えると、非熱化された動的壁として形成され、圧力バランスによって安定化される。
• ドメイン壁内でのCP対称性の破れを介したバリオゲネシスが可能となり、観測されたバリオン非対称性を説明するメカニズムが提供される。
• 帯電ブラックホールの残渣は陽子を捕獲して"ブラックアトム"を形成でき、電離エネルギーは水素の約2000倍にのぼり、|Z_rem| ≤ 7の範囲では寿命が10 G年を超える。
• 宇宙背景の重力子背景のエネルギー密度はCMBの約1/82であり、120–280 eVにピークを示し、プランクスペクトルとは異なる。
• このモデルは再熱温度が10¹² GeVを超える必要があり、ブラックホール支配のパラメータ領域が非常に狭い範囲でのみ観測的制約と整合する。