[論文レビュー] Hadronization of the Quark Universe

Michael J. Fromerth, Johann Rafelski|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、宇宙創生期のクォーク・グルーオンプラズマ（QGP）のハドロン化を定量的にモデル化し、格子QCDの状態方程式と重イオン衝突実験データを用いて、QGPからハドロンガスへの転移期における化学ポテンシャルと電荷分離を計算している。その結果、バリオ化学ポテンシャルは初期に μ_B ≈ 1.1 ± 0.25 eV に達し、顕著な電荷分離が生じることが判明した。ハドロンガスは正に帯電し、QGPは負に帯電しており、わずかな初期バリオン非対称性の増幅に寄与する可能性がある。

ABSTRACT

We explore quantitatively the conditions in which matter (protons, neutrons) formed in the Early Universe during a period which spanned 10--50mus. We obtain all chemical potentials implied by the present day baryon-to-photon ratio. The baryochemical potential reaches its minimal value at the beginning of hadronization of the quark Universe, where mu_b=1.1 \pm 0.25 eV. In the mixed hadron-quark phase, a significant hadron sector electric charge distillation is found.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における観測されたバリオン対光子比を再現するための化学ポテンシャルを特定すること。
• QGPからハドロンガスへの相転移期に起こる電荷分離が、わずかな初期バリオン・反バリオン非対称性を増幅する可能性があるかどうかを調査すること。
• 現実的な状態方程式を用いて、QGP相から核合成までの宇宙の熱力学的進化をモデル化すること。
• WMAPで測定されたバリオン対光子比を用いて、ハドロン化から現在に至るまでのバリオン1当りのエントロピーとその保存則を定量的に評価すること。
• 局所的熱的平衡および熱化時間スケールが、宇宙論的モデル化における分配関数の使用の妥当性をどのように支持するかを評価すること。

提案手法

• 格子QCDの状態方程式に基づくQGPおよびハドロンガス（HG）の分配関数を用い、クォーク・グルーオン・ハドロンの寄与に加え、有限体積補正を組み込む。
• ハドロン物質にはHagedornモデルを適用し、QGPの状態方程式に閉じ込められた真空圧力（B = 258 MeV fm⁻³）を含める。
• 2相共存状態としての相転移を、重み付き分配関数 ln Z_tot = f_HG ln Z_HG + (1 - f_HG) ln Z_QGP を用いてモデル化する。
• 局所的熱的・化学的平衡を仮定し、グランドカノニカル集合を用いて粒子数密度と化学ポテンシャルを計算する。
• WMAPデータからバリオン対光子比 η = 6.1⁺⁰.³₋₀.² × 10⁻¹⁰ を導出し、バリオン1当りのエントロピー S/B = 1.3 ± 0.1 × 10¹⁰ を計算する。
• ハドロンガスの割合 f_HG の関数として、両相におけるバリオン1当りのネット電荷を計算することで、電荷分離を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙における観測されたバリオン対光子比を生成するために必要な化学ポテンシャルは何か？
• RQ2 QGPからハドロンガスへの相転移期に電荷分離はどのように現れ、ネット電荷分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 QGPからハドロン化するプロセスが、電荷分離を通じてわずかな初期バリオン非対称性をどの程度増幅できるか？
• RQ4 熱化および化学的平衡に至る時間スケールは、初期宇宙モデルにおける平衡統計力学の使用の妥当性をどのように裏付けるか？
• RQ5 現在の宇宙におけるバリオン1当りのエントロピーは何か？ また、ハドロン化から核合成に至るまでそのエントロピーはどのように保存されるか？

主な発見

• ハドロン化の開始時に測定されるバリオ化学ポテンシャルは μ_B = 1.1 ± 0.25 eV であり、観測されたバリオン対光子比から導出されたものである。
• 混合相では、ハドロンガスはバリオン1当りの正のネット電荷を獲得し、QGPは負のネット電荷を示すため、顕著な電荷分離が生じていることが示された。
• QGP中のバリオン数密度とHG中のバリオン数密度の比 n_B^QGP / n_B^HG は、相転移全般にわたり約 3 の一定値を保つ。
• バリオン1当りのエントロピーは保存されており、S/B = 1.3 ± 0.1 × 10¹⁰ として計算された。これは WMAP 測定値 η = 6.1⁺⁰.³₋₀.² × 10⁻¹⁰ から導出された。
• 相転移の持続時間は τ_h = 10 μs と推定され、f_HG は時間とともに線形的に変化すると考えられるが、高精度な評価には完全な輸送理論の適用が必要である。
• 電荷分離により、QGP領域では負の電荷が増加し、HG領域では正の電荷が増加する。これは、電磁的フィードバックや磁場生成の可能性を示唆している。