[論文レビュー] On the origin of the matter-antimatter asymmetry in self-gravitating systems at ultra-high temperatures

Michael Petri|ArXiv.org|May 2, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、次元のないパラメータ $\kappa = ST/E$ によって駆動される、超高温度における自己重力系において熱力学的に誘導された物質-反物質非対称性を示す、新しいビャーロゲネシス機構を提案する。$\kappa = 1$ のもとで、アインシュタイン方程式のホログラフィック解は、非ゼロの化学ポテンシャルを自然に生じさせ、顕著な非対称性をもたらす。この非対称性は、CP対称性の破れや熱的非平衡状態を仮定しなくても、観測された $6.5 \times 10^{-10}$ に近い $\eta \approx 18 \times 10^{-10}$ のバリオン対光子比を予測する。

ABSTRACT

It is shown, that self-gravitating systems can be classified by a dimensionless constant positive number $κ= S T / E$, which can be determined from the (global) values for the entropy, temperature and (total) energy. The Kerr-Newman black hole family is characterized by $κ$ in the range $0-1/2$, depending on the dimensionless ratios of angular momentum and charge squared to the horizon area, $J/A$ and $Q^2/A$. By analyzing the most general case of an ultra-relativistic ideal gas with non-zero chemical potential it is shown, that $κ$ is an important parameter which determines the (local) thermodynamic properties of an ultra-relativistic gas. $κ$ only depends on the chemical potential per temperature $u = μ/ T$ and on the ratio of bosonic to fermionic degrees of freedom $r_F = f_B / f_F$. A gas with zero chemical potential has $κ= 4/3$. Whenever $κ< 4/3$ the gas must acquire a non-zero chemical potential. This non-zero chemical potential induces a natural matter-antimatter asymmetry, whenever microscopic statistical thermodynamics can be applied. The recently discovered holographic solution describes a compact self gravitating black hole type object with an interior, well defined matter state. One can associate a local - possibly observer-dependent - value of $κ$ to the interior matter, which lies in the range $2/3-1$ (for the uncharged case). This finding is used to construct an alternative scenario of baryogenesis in the context of the holographic solution, based on quasi-equilibrium thermodynamics.

研究の動機と目的

• CP対称性の破れや熱的非平衡状態に依存せずに、観測された物質-反物質非対称性の起源を説明すること。
• 超高相対論的ガスにおいて、熱力学的パラメータ $\kappa = ST/E$ が自然に非ゼロの化学ポテンシャルを誘導できるかどうかを調査すること。
• ホログラフィック解（非FLRW宇宙論的モデル）がビャーロゲネシスと核合成に与える影響を検討すること。
• 高密度・高温度の自己重力系における熱力学的平衡に基づき、バリオン対光子比 $\eta$ の予測を導出すること。
• ホログラフィックモデルが、初期非対称性に関する標準模型の仮定なしに、観測された原始核合成生成物を再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• グローバルエントロピー $S$、温度 $T$、エネルギー $E$ を用いて定義される次元のない熱力学的パラメータ $\kappa = ST/E$ を定義する。
• 非ゼロの化学ポテンシャルを有する超高相対論的理想気体を分析し、$\kappa < 4/3$ であれば非ゼロの化学ポテンシャル $\mu$ が生じることを示す。
• 化学ポテンシャル $u = \mu/T$ を、パラメータ $\kappa$ およびフェルミオン対ボソンの自由度比 $r_F = f_B/f_F$ の関数として導出する。
• $\kappa = 1$ のもとで、特異点のない、コンパクトな自己重力系に満たされた物質領域にホログラフィック解を適用し、安定で高密度状態を支持することを示す。
• 準平衡熱力学を用いて、電子-陽電子消失の過程をモデル化し、冷却に伴う数密度およびエネルギー密度の変化を追跡する。
• エネルギー密度およびエントロピー密度の保存を仮定することで、膨張過程における最終的なバリオン対光子比 $\eta$ を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CP対称性の破れなしに、超高温度における自己重力系で熱力学的に誘導された物質-反物質非対称性が生じ得るか？
• RQ2 パラメータ $\kappa = ST/E$ が化学ポテンシャルおよび粒子-反粒子非対称性を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 ホログラフィック解（$\kappa = 1$ のもと）は、観測されたバリオン対光子比を説明するためのFRWモデルの代替として有効であるか？
• RQ4 標準模型と比較して、ホログラフィックモデルにおける電子-陽電子消失過程におけるエネルギー密度および数密度の時間的変化はどのように異なるか？
• RQ5 より高いハッブル定数およびより高いバリオン密度を有するホログラフィック宇宙において、核合成が観測された原始核生成物と整合的であるか？

主な発見

• パラメータ $\kappa = ST/E$ は、化学ポテンシャル/温度 $u = \mu/T$ を決定づける。$\kappa < 4/3$ のとき、$u$ は非ゼロとなり、自然な物質-反物質非対称性が誘導される。
• $\kappa = 1$ のとき、ホログラフィック解は、電子質量の閾値において約14個の電子に対して1個の陽電子の非対称性を予測する。
• 電子-陽電子消失後、バリオン対光子比は $\eta \approx 18 \times 10^{-10}$ と予測され、観測値 $6.5 \times 10^{-10}$ に近く、良好な一致を示す。
• ホログラフィックモデルでは、エネルギー密度およびエントロピー密度の保存のため、電子の数密度は温度に比例して線形に減少する。これは粒子数保存ではなく、エネルギー・エントロピー密度保存に基づく。
• 非対称性はすでに高温域で顕著であるため、質量閾値での消失は、陽電子の8％未満が消失するほど滑らかに進行し、微小な初期非対称性の必要性を回避する。
• モデルは、より高い膨張速度とより高いバリオン密度の両方が相殺効果をもたらすため、ホログラフィック宇宙における核合成が依然として観測値と整合的である可能性を示唆している。