[論文レビュー] Primordial black holes from the QCD epoch: Linking dark matter, baryogenesis and anthropic selection

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

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、クォーク-胶子相転移期に形成された初期ブラックホール（PBHs）が、暗黒物質、バリオゲネシス、および人為的選択を自然に結びつけるものであると提唱する。質量がチャンドラセカール限界に近いPBHsは、衝撃加熱によって局所的なバリオン非対称性を生成し、観測されたDM対バリオン密度比（約6）を説明するとともに、インフレーション期における確率的サーヴァント場による曲率ゆらぎに起因する人為的選択された崩壊率によって、微調整問題を解消する。

ABSTRACT

If primordial black holes (PBHs) formed at the quark-hadron epoch, their mass must be close to the Chandrasekhar limit, this also being the characteristic mass of stars. If they provide the dark matter (DM), the collapse fraction must be of order the cosmological baryon-to-photon ratio $\sim 10^{-9}$, which suggests a scenario in which a baryon asymmetry is produced efficiently in the outgoing shock around each PBH and then propagates to the rest of the Universe. We suggest that the temperature increase in the shock provides the ingredients for hot spot electroweak baryogenesis. This also explains why baryons and DM have comparable densities, the precise ratio depending on the size of the PBH relative to the cosmological horizon at formation. The observed value of the collapse fraction and baryon asymmetry depends on the amplitude of the curvature fluctuations which generate the PBHs and may be explained by an anthropic selection effect associated with the existence of galaxies. We propose a scenario in which the quantum fluctuations of a light stochastic spectator field during inflation generate large curvature fluctuations in some regions, with the stochasticity of this field providing the basis for the required selection. Finally, we identify several observational predictions of our scenario that should be testable within the next few years. In particular, the PBH mass function could extend to sufficiently high masses to explain the black hole coalescences observed by LIGO/Virgo.

研究の動機と目的

• 宇宙における暗黒物質密度とバリオン密度の一致（両者とも臨界密度単位で約10^-9）を説明すること。
• PBHがすべての暗黒物質を占めるために必要なPBH崩壊率β ~ 10^-9の微調整問題を解消すること。
• PBH形成、バリオゲネシス、人為的選択を一つの宇宙論的枠組みで統一すること。
• LIGO/VirgoによるPBH質量関数と重力波信号についての検証可能な予測を提供すること。
• 観測されたバリオン対光子比η ~ 10^-9を、恣意的な調整ではなく物理的メカニズムによって説明すること。

提案手法

• インフレーション期における確率的サーヴァント場によって決定される振幅の曲率ゆらぎを用いて、QCD相転移期におけるPBH形成をモデル化する。
• PBHがδ > δ_cのとき形成すると仮定し、非ガウス型曲率ゆらぎ分布の尾部から崩壊率βを計算する。
• 各PBH周囲の衝撃加熱によって電弱過程を介し、局所的なバリオン非対称性を生成し、その効率γ ~ 1とする。
• バリオン非対称性を全球的に伝搬させ、β倍に希釈することで、観測されたη ~ 10^-9と関連付ける。
• 銀河形成の要件に基づき、βとηがともに~10^-9である理由を人為的選択を用いて説明する。
• 曲率ゆらぎのパワースペクトルからPBH質量関数を導出し、サーヴァント場の支配エネルギー スケールに依存する低質量カットオフを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜDM対バリオン密度比が約6であり、これは一つの物理的メカニズムで説明可能か？
• RQ2 なぜPBH崩壊率β ~ 10^-9が微調整なしに自然に達成可能か？
• RQ3 PBH形成に伴う衝撃波がバリオゲネシスを引き起こせるか？そのプロセスの効率はいかほどか？
• RQ4 人為的選択は、βとバリオン対光子比ηの観測値を説明するために果たす役割は何か？
• RQ5 近い将来に観測可能なシグネチャ、例えば重力波信号やCMBの異常は、このシナリオを検証可能か？

主な発見

• PBH質量関数は高質量領域まで延びており、LIGO/Virgoの二重ブラックホール合体事象を説明できる可能性がある。
• 各PBH周囲で効率~1の局所的バリオン非対称性が生成され、βで希釈されるため、崩壊率βが自然にη ~ 10^-9のオーダーになる。
• 観測されたバリオン対光子比η ~ 10^-9は、衝撃加熱効率とPBHに崩壊する宇宙の割合の相互作用から生じる。
• 本モデルは、サーヴァント場の支配エネルギー スケールに依存する低質量カットオフを持つ、非ガウス型で非単一のPBH質量関数を予測する。
• PBH形成と衝撃駆動バリオゲネシスに結びつく物理的メカニズムを通じて、DMとバリオン密度の一致を説明する。
• 観測されたβとηの値は微調整ではなく、インフレーション期におけるまれな大規模曲率ゆらぎの統計から自然に生じるフレームワークを提供する。