[論文レビュー] Gravitational waves, baryogenesis, and dark matter from primordial black holes

A. D. Dolgov, P. D. Naselsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、初期宇宙における原始的ブラックホール（PBH）の蒸発が、プランクスケールの残渣を介して、同時に宇宙論的バリオン非対称性、エントロピー、および寒冷ダークマターを生成できることを提案する。PBHの蒸発から生じる高エネルギーの重力子は、典型的なエネルギーが約100 eVの検出可能なリリック重力波背景を生成する。一方、バリオン生成は蒸発中のCP対称性の破れを伴う崩壊によって生じ、観測値と一致する約10⁻¹⁰のバリオン数対エントロピー比をもたらす。

ABSTRACT

We discuss the hypothesis that the cosmological baryon asymmetry and entropy were produced in the early Universe by the primordial black hole (PBHs) evaporation.

研究の動機と目的

• バリオン数保存則を破らないまま、観測された宇宙論的バリオン非対称性の起源を説明すること。
• 蒸発する原始的ブラックホール（PBH）のプランク質量の残渣が、宇宙の寒冷ダークマターを構成する可能性を提唱すること。
• PBHの蒸発から生じる高周波数の重力波背景の存在を予測すること。特徴的なエネルギーは約100 eVである。
• バリオン数保存が保たれ、かつPBHの残渣がバリオン数を運ぶという条件下で、観測されたバリオン対エントロピー比（約10⁻¹⁰）が自然に再現可能かどうかを検証すること。
• 特に、PBHの蒸発がM ≈ mₚₗで止まるかどうかを含め、プランクスケールにおける量子重力効果の意味を検討すること。

提案手法

• 初期宇宙に質量M_BH ≈ 10¹¹ mₚₗの原始的ブラックホール（PBH）が形成され、蒸発前にエネルギー密度を支配すると仮定する。
• プランクスケールまでホーキング蒸発のメカニズムを適用し、安定なプランク質量の残渣が寒冷ダークマターとして残存すると仮定する。
• PBHの即時崩壊近似を用い、すべてが時間τで同時に崩壊すると仮定し、相対論的時代への遷移を誘発する。
• 蒸発中に放出される重力子のエネルギー密度を計算し、今日のCMBエネルギー密度の0.3–1%に相当することを示す。
• PBHの蒸発によって生成される粒子のCP対称性の破れを伴う崩壊を用いてバリオン生成をモデル化し、非対称性は崩壊幅の差（ΔΓ_χ）に起因する。
• バリオン対エントロピー比β ≈ 0.1 N_eff⁻¹ᐟ⁴ (ρ_BH/ρ_tot) (ΔΓ_χ/m_χ) (mₚₗ/M_BH)¹ᐟ²を導出し、ρ_BH/ρ_tot ≈ 1のときβ ~ 10⁻¹⁰となることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙のバリオン非対称性は、原始的ブラックホールの蒸発中に発生するCP対称性の破れを伴う崩壊によって生じうるか？
• RQ2 蒸発する原始的ブラックホールのプランクスケールの残渣は、寒冷ダークマターの妥当な候補となり得るか？
• RQ3 PBHの蒸発中に生成される重力波のエネルギースペクトルと宇宙論的エネルギー密度は何か？
• RQ4 バリオン数保存が保たれ、かつPBHの残渣がバリオン数を運ぶという条件下で、バリオン対エントロピー比β ≈ 10⁻¹⁰が自然に再現可能か？
• RQ5 長距離作用を示さないバリオン的力（α_B < 10⁻⁴⁶）の存在が、ブラックホールにバリオン的髪が存在しないことに対してどのような制約を課えるか？

主な発見

• PBHが蒸発時にエネルギー密度を支配するとき、宇宙論的バリオン非対称性（1バリオンあたりのエントロピー）はβ ≈ 10⁻¹⁰と予測され、観測値と一致する。
• 蒸発するPBHのプランク質量の残渣が、寒冷ダークマターの主要成分であると提唱され、Ω_DM ≈ 0.3のとき、共動的数密度n₀ ≈ 10⁻²⁵ cm⁻³となる。
• PBHの蒸発中に放出される重力子は、典型的なエネルギーが約100 eVで、今日のエネルギー密度がCMBエネルギー密度の0.3–1%に相当するリリック重力波背景を形成する。
• 重力子背景のエネルギー密度はρ_d ≈ mₚₗ² / (6πτ²)と推定され、τ ≈ 3×10³ N_eff⁻¹ M_BH³ mₚₗ⁻⁴である。PBHの質量がM_BH ~ 10¹¹ mₚₗであれば、検出可能な信号が得られる。
• バリオン非対称性は、PBHの蒸発によって生成される粒子のCP対称性の破れを伴う崩壊によって生じ、ΔΓ_χ ~ α² ~ 4×10⁻⁴であり、非対称性は(mₚₗ/M_BH)¹ᐟ²に比例する。
• ブラックホールにバリオン的髪が存在しないと仮定することで、長距離作用を避けることができ、α_B < 10⁻⁴⁶の制約と整合的でありながら、残渣がネットバリオン数を運ぶことが可能となる。