[論文レビュー] Primordial black holes from bubble collisions during a first-order phase transition

Tae Hyun Jung, Takemichi Okui|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における一次相転移中に、厚い流体膜を有する近ホライズンサイズの気泡同士の衝突によって原始ブラックホール（PBHs）が形成され得ると提案している。ホープ予想を用いて、このような衝突が単色のPBH質量スペクトルを生じさせることを示し、今後のシミュレーションから得られるモデルパラメータに応じて、暗黒物質の密度に達するか、あるいは宇宙の過剰閉じ込めを引き起こす可能性のあるPBHの豊度が得られる。

ABSTRACT

We study the possibility of production of primordial black holes (PBHs) from bubble collisions during a first-order phase transition. While typical colliding bubbles are small and irrelevant for PBH production, we find that those that can produce PBHs must have a macroscopically thick fluid shell and have been born much before the typical nucleation time. Particularly large uncertainties arise from an exponential sensitivity of the nucleation rate on the required duration of bubble growth which depends on the details of the collisions and the evolution of the spacetime metric toward the end of the phase transition. We introduce a few parameters to be obtained from future numerical simulation to represent those unknowns, and estimate the PBH abundance in an Abelian Higgs benchmark model and show that it can be significant. We predict an approximately monochromatic PBH mass spectrum, and find regions in the parameter space where the PBHs can constitute entire dark matter or even over-close the universe. Our result thus shows that models with a first-order phase transition can be constrained by over-abundant PBHs or null results of other PBH searches.

研究の動機と目的

• 一次相転移中の気泡衝突が観測的に有意義な原始ブラックホール（PBHs）を生成できるかどうかを調査すること。
• 特に、近ホライズンサイズの気泡と厚い流体膜を有する壁を有する物理的条件が、PBH生成に不可欠であることを特定すること。
• 今後の数値シミュレーションから得られるパラメータを用いて、ベンチマークとしてのア贝尔・ヒッグス模型におけるPBHの豊度を推定すること。
• PBHの過剰生成が宇宙論的影響を及ぼす可能性、例えば宇宙の過剰閉じ込めやPBH探索のnull結果からの制約を評価すること。
• 一次相転移モデルの検証のためのフレームワークを提供すること、その根拠はPBHの検出または非検出に基づく。

提案手法

• ブラックホール生成の基準としてホープ予想を適用し、2GM ≳ C_D を満たす必要がある。ここで C_D は密度領域 D の最大周囲である。
• 気泡の衝突によって形成される密度領域 D を、気泡壁にマクロな厚さの流体膜を有するものとしてモデル化する。この流体膜は質量の十分な集中を実現するために不可欠である。
• 気泡の半径がホライズンサイズに近いと仮定し、次元解析を用いて臨界場値 φ_c を温度 T と質量スケール μ_* に関連付ける。
• 熱インスタントン法を用いて気泡核生成率 Γ_n(T) を推定し、指数的抑制項 e^(-S_4[φ_c]) と係数 T^4 を含む。
• 真空中支配の膨張領域において有効な T(t) = T_n exp(-H(t - t_n)) を用いて、温度依存のレートを時間依存のレートに変換する。
• パラメータ κ, ΔΩ/4π, g を用いてスケーリングを行うことで、PBH生成確率 P_PBH(t) と数密度 n_PBH を、レートの統合により計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次相転移中の気泡衝突が、観測的に有意義な豊度の原始ブラックホールを生成できるか？
• RQ2 気泡のサイズや膜の厚さといった物理的条件が、顕著なPBH生成に不可欠であるとされるのはどのような状況か？
• RQ3 このような衝突によって生成されるPBHの期待される質量スペクトルは何か？そしてそれは単色的であるか？
• RQ4 結合定数 g や真空中エネルギースケール μ_*、立体角 ΔΩ といったモデルパラメータが、PBHの豊度にどのように依存するか？
• RQ5 このメカニズムによるPBHの過剰生成が、一次相転移を伴うモデルの制約や除外に寄与できるか？

主な発見

• ホープ予想の条件を満たす近ホライズンサイズの気泡と厚い流体膜を有する気泡の衝突によって、PBHが形成可能である。
• 得られるPBHの質量スペクトルは、気泡壁の力学的挙動とエネルギー密度の圧縮に起因し、概ね単色的である。
• アベル・ヒッグスのベンチマークモデルにおいて、PBHは全暗黒物質密度を占めるか、パラメータに応じて宇宙の過剰閉じ込めを引き起こす可能性がある。
• PBHの豊度 f_PBH は立体角 ΔΩ/4π に対して指数関数的に敏感であり、小さな角度では抑制が生じる。
• 今後の数値シミュレーションでは、流体膜の厚さと壁の速度プロファイルを解像する必要があり、PBHの生成量を正確に推定できる。
• 核生成率への量子トンネル効果の寄与は、熱的レートに比べて無視できるほど小さいため、古典的熱インスタントン推定を用いることが正当化される。