[論文レビュー] Primordial black holes, dark matter and hot-spot electroweak baryogenesis at the quark-hadron epoch

B. J. Carr, Sébastien Clesse+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、インフレーション期における光の確率的サーベイラー場（例えばQCDオキシッド）の量子揺らぎが、放射優勢時代に大きな曲率揺らぎを生成し、クォーク＝ハドロン遷移期に原始ブラックホール（PBH）が形成されることを提案している。その質量関数はチャンドラセカール質量でピークを示し、暗黒物質としての自然な説明と、電弱期におけるホットスポット型のバリオジェネシス機構を可能にする。この機構により、バリオン対光子比とバリオン物質および暗黒物質密度の一致が説明されるとともに、強いCP問題も解決される。

ABSTRACT

We propose a scenario in which the quantum fluctuations of a light stochastic spectator field during inflation, for instance the QCD axion, generate large curvature fluctuations in the radiation era. This inevitably leads to the existence of Hubble patches in which primordial black holes (PBHs) form at the quark-hadron epoch with a density comparable to the dark matter. The PBHs naturally have an extended mass function, with a density peaking at the Chandrasekhar mass, and extending to the mass required to explain the black hole coalescences observed by LIGO/Virgo, without violating current astrophysical constraints. At the quark-hadron epoch, the entropy production and temperature increase in PBH-forming regions provide the ingredients for a novel scenario of hot spot electroweak baryogenesis. Baryons are produced very efficiently around these collapsing pockets and then quickly diffuse to the entire Universe. This explains why the PBH collapse fraction at the QCD epoch is of order the observed baryon-to-photon ratio and why baryons and dark matter have comparable densities. If the stochastic spectator field is the QCD axion, this also explains the strong CP problem. Parameter fine-tunings are replaced by a single anthropic selection argument involving the stochasticity of the spectator field during inflation and the requirement that galaxies can form. Finally, we identify several observational predictions of our scenario that should be testable within the next few years.

研究の動機と目的

• 観測された暗黒物質とバリオン物質密度の一致を説明すること。
• クォーク＝ハドロン遷移期におけるPBH形成を通じて、電弱期のバリオジェネシスのメカニズムを提供すること。
• 確率的サーベイラー場をQCDオキシッドと同一視することで、強いCP問題を解決すること。
• LIGO/Virgoで観測されたPBHを含む観測されたPBH質量関数を、天体物理学的制約に反しない形で説明すること。
• 微調整を、銀河形成に基づく確率的インフレーションゆらぎによる人為的選択原理で置き換えること。

提案手法

• インフレーション期における確率的サーベイラー場を、放射優勢時代における曲率揺らぎの源としてモデル化する。
• 得られた大規模な曲率揺らぎを用いて、クォーク＝ハドロン遷移期にPBHが形成されるハッブル領域を特定する。
• PBH質量関数を計算し、チャンドラセカール質量でピークを示し、LIGO/Virgoで観測された質量まで広がる尾部を持つことを示す。
• PBH形成領域におけるエントロピー生成と温度上昇を分析し、ホットスポット型の電弱バリオジェネシスを可能にする。
• PBHのパッチから発生したバリオンが宇宙全体に急速に拡散するのをモデル化し、バリオン対光子比の均一性を保証する。
• 確率的サーベイラー場をQCDオキシッドと同一視することで、PBH形成と強いCP問題の解決を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション期における光の確率的サーベイラー場の量子揺らぎが、クォーク＝ハドロン遷移期にPBH形成を引き起こすのに十分な曲率揺らぎを生成できるか？
• RQ2 得られるPBH質量関数は、自然に観測された暗黒物質密度を再現できるか？また、LIGO/Virgoのブラックホール合体質量と一致するか？
• RQ3 クォーク＝ハドロン遷移期におけるPBH形成が、局所的なホットスポットで効率的な電弱バリオジェネシスを可能にする条件を提供できるか？
• RQ4 なぜバリオン対光子比が、QCD遷移期に形成されたPBHの割合とほぼ等しくなるのか？
• RQ5 確率的サーベイラー場をQCDオキシッドと同一視することで、この枠組み内での強いCP問題がどのように解決されるのか？

主な発見

• PBH質量関数はチャンドラセカール質量でピークを示し、LIGO/Virgoの観測結果と整合する質量まで広がっており、現在の天体物理学的制約に反しない。
• クォーク＝ハドロン遷移期に宇宙の一部がPBHに崩壊する割合は、自然に観測されたバリオン対光子比のオーダーとなる。
• PBH形成領域で生成されたバリオンは、宇宙全体に急速に拡散し、バリオン対光子比の均一性を保証する。
• このシナリオは、インフレーションゆらぎに根ざした単一の物理的メカニズムを通じて、バリオン物質と暗黒物質密度の一致を説明する。
• 確率的サーベイラー場をQCDオキシッドと同一視することで、強いCP問題に対する動的解決が得られる。
• このモデルは、今後数年以内に確認または否定可能な検証可能な予測を含む。