[論文レビュー] Primordial Black Hole Baryogenesis

Daniel Baumann, Paul J. Steinhardt+1 more|ArXiv.org|Mar 28, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用数 35

ひとこと要約

本稿では、初期ブラックホール（PBH）がホーキング蒸発を通じて観測されたバリオン非対称性を生成する可能性を提案しており、非対称性は初期ブラックホール密度や宇宙論的モデルではなく、CPおよびバリオン数を破る相互作用に強く依存する。PBHの残骸がバリオゲネシスとダークマターを同時に説明するには、非自明に大きなCP対称性の破れが必要であり、標準模型粒子物理学モデルでは両現象が両立できないことが示された。

ABSTRACT

We reconsider the possibility that the observed baryon asymmetry was generated by the evaporation of primordial black holes that dominated the early universe. We present a simple derivation showing that the baryon asymmetry is insensitive to the initial black hole density and the cosmological model but is sensitive to the temperature-dependence of the CP and baryon-violating (or lepton-violating) interactions. We also consider the possibility that black holes stop evaporating and form Planck-mass remnants that act as dark matter. We show that primordial black holes cannot simultaneously account for both the observed baryon asymmetry and the (remnant) dark matter density unless the magnitude of CP violation is much greater than expected from most particle physics models. Finally, we apply these results to ekpyrotic/cyclic models, in which primordial black holes may form when branes collide. We find that obtaining the observed baryon asymmetry is compatible with the other known constraints on parameters.

研究の動機と目的

• 初期ブラックホール（PBH）がホーキング蒸発を通じて観測されたバリオン非対称性を生成できるかどうかを調査すること。
• PBHが安定したプランク質量の残骸を残すことで、同時にバリオン非対称性とダークマター密度の両方を説明できるかどうかを特定すること。
• インフレーション的およびエキプロティック／サイクル的宇宙論的モデルにおけるPBHバリオゲネシスの妥当性を評価すること。
• スファラロン遷移とバリオゲネシス機構におけるCP対称性の破れの必要性が課す制約を検討すること。

提案手法

• CPおよびバリオン／レプトン数を破る相互作用の温度依存性にのみ依存する、モデルに依存しないアプローチを用いて、PBH蒸発が生成するバリオン非対称性を導出する。
• 導出結果をインフレーション的およびエキプロティック／サイクル的モデルに適用し、背景宇宙論に依存しないことを示す。
• 安定したプランク質量の残骸が形成され、それがダークマターを構成する可能性を検討する。
• バリオゲネシスと残骸によるダークマター密度の両方の制約を評価し、一貫性を保つために大きなCP対称性の破れを要することが判明する。
• スファラロン遷移がバリオン非対称性を消去する役割を果たすメカニズムを分析し、洗い流しを回避するための$B-L$保存メカニズムを検討する。
• ドメインウォールにおける電弱バリオゲネシスといった代替メカニズムと比較し、本手法の頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期ブラックホール蒸発が、初期ブラックホール密度や宇宙論的モデルに依存せずに、観測されたバリオン非対称性を生成できるか？
• RQ2 初期ブラックホールが安定したプランク質量の残骸を形成することで、観測されたバリオン非対称性とダークマター密度の両方を同時に説明できるか？
• RQ3 PBHがダークマターの残骸を形成する場合、成功したバリオゲネシスに必要なCP対称性の破れの程度はどの程度か？
• RQ4 スファラロン遷移は、PBH蒸発中に生成されたバリオン非対称性にどのような影響を及ぼすか？また、それらを回避できるか？
• RQ5 再加熱温度が低いエキプロティック／サイクル的モデルにおいて、バリオゲネシス機構は妥当か？

主な発見

• PBH蒸発が生成するバリオン非対称性は、初期ブラックホールの数密度や宇宙論的モデルに依存せず、CPおよびバリオン／レプトン数を破る相互作用の温度依存性にのみ依存する。
• エキプロティック／サイクル的モデルでは、PBHバリオゲネシスは広いパラメータ範囲で、すべての既知の観測的制約と両立可能である。
• バリオン非対称性が$B-L$保存によって保たれれば、スファラロンの洗い流しを回避でき、より広いブラックホール質量および結合定数の範囲を許容する。
• PBHの残骸がバリオゲネシスとダークマターの両方を説明するには、標準的な粒子物理学モデルが予測するよりもはるかに大きなCP対称性の破れが必要となる。
• PBHが安定した残骸を形成する場合、最終的なバリオン非対称性は抑制されるため、標準的なCP対称性の破れスケールでは両現象は両立できない。
• CP対称性の破れが最大またはほぼ最大である場合にのみ、このメカニズムは成立するため、従来の粒子物理学モデルと強い矛盾を示唆している。