[論文レビュー] Reheating, Dark Matter and Baryon Asymmetry: a Triple Coincidence in Inflationary Models

Stephon Alexander, P. Mészáros|ArXiv.org|Mar 8, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、インフレーションの終焉時（~10⁻³² s）に形成された原始的ブラックホール（PBHs）が、ドメインウォール内のホーキング放射およびスファレオン過程を通じて、観測されたエントロピー、ダークマター密度、バリオン非対称性を同時に説明すると提案している。この三重一致は、PBH形成時刻と再熱時刻を~10⁻¹² sに一意に固定し、電弱スケールと一致する。

ABSTRACT

A scenario in which primeval black holes (PBHs) form at the end of an extended inflationary period is capable of producing, via Hawking radiation, the observed entropy, as well as the observed dark matter density in the form of Planck mass relics. The observed net baryon asymmetry is produced by sphaleron processes in the domain wall surrounding the PBHs as they evaporate around the electroweak transition epoch. The conditions required to satisfy these three observables determines the PBH formation epoch, which can be associated with the end of inflation, at $t\sim 10^{-32}\s$.

研究の動機と目的

• 観測されたバリオン1個あたりのエントロピー、ダークマター密度、およびネットバリオン非対称性の起源を、一つの宇宙論的枠組みで説明すること。
• すべての三つの観測的制約を同時に満たす、原始的ブラックホール（PBH）形成の固有の時刻を同定すること。
• 蒸発するPBHの周囲のドメインウォール内でのCP対称性破れを伴うスファレオン過程を通じて、バリオン非対称性がどのように生成されるかを調査すること。
• PBH物理学を通じて、インフレーションの終焉時と再熱温度・時刻を結びつけること。
• プランクスケールの残渣を通じて、PBHの残渣と観測されたダークマター密度との関係を確立すること。

提案手法

• PBHsは、拡張インフレーションの終焉時に、大きな振幅の非一様性により形成され、質量 M_BH ~ 10⁶.⁶η t₁,₋₃₂ g となる。
• 質量 ~10³ kg（トンスケール）のPBHsからのホーキング放射が、標準模型粒子の熱的バーストを生成し、観測されたエントロピー密度をもたらす。
• 質量 ~10³ kg のPBHsの蒸発は、プランクスケールの残渣を生じ、その数密度が観測されたダークマター密度と一致する。
• 電弱対称性の破れにより、PBHsの周囲にドメインウォール構造が形成され、ホーキング放射に起因する温度勾配が生じる。
• 温度勾配がヒッグス場におけるCP対称性破れの位相を誘導し、スファレオン遷移を可能にすることで、ネットバリオン数が生成される。
• PBHの温度 T_BH ~ 10⁶.⁵–10⁷.⁵ GeV の条件下で、バリオン数密度/エントロピー密度比 n_B/s ~ 10⁻¹⁰ が達成され、これは t_BH ~ 10⁻¹² s の蒸発に対応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的ブラックホールの蒸発が、観測されたエントロピー、ダークマター密度、バリオン非対称性を同時に説明できるか？
• RQ2 すべての三つの宇宙論的観測量を満たすために、PBHの質量および形成時刻にどのような条件が必要か？
• RQ3 蒸発するPBHの周囲のドメインウォール内でのスファレオン過程が、観測されたネットバリオン非対称性をどのように生成するか？
• RQ4 なぜ再熱時刻 t_BH ~ 10⁻¹² s が、すべての三つの観測量を満たす唯一の解として現れるのか？
• RQ5 この三重一致に基づいて、インフレーションの終焉時を PBH形成時刻 t₁ ~ 10⁻³² s と特定できるか？

主な発見

• t₁ ~ 10⁻³² s に原始的ブラックホールが形成されることで、エントロピー、ダークマター密度、バリオン非対称性という三つの観測的制約が一意に満たされる。
• 質量 ~10³ kg（トンスケール）のPBHsは t_BH ~ 10⁻¹² s に蒸発し、電弱相転移の時刻と一致し、観測された再熱温度 T ~ 300 GeV をもたらす。
• ホーキング放射によるエントロピーがバリオン1個あたりのエントロピーを再現し、全エントロピーが観測値と一致する。
• PBHの蒸発に伴い生成されるプランク質量の残渣が、1つの蒸発ブラックホールあたり1つの残渣を仮定すれば、観測されたダークマター密度を説明できる。
• ホーキング放射に起因する温度勾配を持つドメインウォール内でのスファレオン過程により、ネットバリオン数/エントロピー比 n_B/s ~ 10⁻¹⁰ が達成される。
• 三つの観測量の三重一致により、再熱時刻が t_BH ~ 10⁻¹² s に固定され、PBH形成時刻が t₁ ~ 10⁻³² s に特定される。これはインフレーションの終焉時と特定される。