[論文レビュー] TASI Lectures on Early Universe Cosmology: Inflation, Baryogenesis and Dark Matter

James M. Cline|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙の主要な宇宙論的メカニズム——原始的インフレーション、バリオゲネシス（レプトゲネシスおよび電弱バリオゲネシス）、およびダークマター生成——について、体系的で教育的な概説を提供する。理論的枠組み、観測的制約、モデル構築技術に焦点を当て、熱的凍結、非対称ダークマター、フリーズイン、SIMPモデル、アキソンの不整合、および原始的ブラックホール形成を統合的に扱い、CMBおよびLHCデータからのリリック密度と制約の定量的推定を提示する。

ABSTRACT

These lectures, presented at TASI 2018, provide a concise introduction to inflation, baryogenesis, and aspects of dark matter not covered by the other lectures. The emphasis for inflation is an intuitive understanding and techniques for constraining inflationary models. For baryogenesis we focus on two examples, leptogenesis and electroweak baryogenesis, with attention to singlet-assisted two-step phase transitions. Concerning dark matter, we review different classes of models distinguished by their mechanisms for obtaining the observed relic density, including thermal freeze-out, asymmetric dark matter, freeze-in, SIMP dark matter, the misalignment mechanism for ultralight scalars and axions, and production of primordial black holes during inflation. Problem sets are provided.

研究の動機と目的

• 並行して開催されたTASIレクチャーズでカバーされていないインフレーション、バリオゲネシス、ダークマターのメカニズムについて、自己完結的で理解しやすい入門を提供すること。
• 研究者にインフレーションモデルとバリオゲネシスのシナリオを制約するための直感的で定量的なツールを提供すること。
• 熱的凍結、非対称ダークマター、フリーズイン、SIMP、アキソンの不整合、および原始的ブラックホールを含む、多様なダークマター生成メカニズムをレビューし、リリック密度の計算に重点を置くこと。
• 理論と観測をつなぐ問題セットを提供し、宇宙論的制約とモデル構築技術の実践的応用を可能にすること。

提案手法

• 自然単位とフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー計量を用いて、膨張宇宙の力学およびエネルギー密度の時間的変化を導出する。
• 宇宙論的摂動理論を適用し、インフレートン場の量子揺らぎとそのパワースペクトルを計算し、CMBの非一様性と関連付ける。
• レプトゲネシスと電弱相転移の文脈において、$B$および$C,CP$対称性の破れを分析し、一次相転移の条件を含む。
• さまざまなダークマター・モデルのリリック密度の公式を導出する：熱的凍結、非対称ダークマター、フリーズイン、SIMP、アキソンの不整合、原始的ブラックホール。
• ガウス型場の対数正規分布を用いて、原始的密度揺らぎからのブラックホール形成確率を推定する。
• 不整合メカニズムを用いて、アキソンのリリック密度を質量と崩壊定数の関数として導出する。COBE正規化を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション期の量子揺らぎは、CMBで観測された原始的密度揺らぎをどのように生成するのか？
• RQ2 特に重い右巻きニュートリノの崩壊と$CP$非対称性に関して、成功するレプトゲネシスのシナリオに必要な条件は何か？
• RQ3 電弱バリオゲネシスは観測されたバリオン非対称性を生成できるか？強力な一次相転移の要件から生じる制約は何か？
• RQ4 観測されたリリック密度 $\Omega_{\rm DM} \sim 0.3$ を再現できる有効なダークマター生成メカニズムは何か？
• RQ5 原始的密度揺らぎから $30\,M_\odot$ の原始的ブラックホールが形成される確率は何か？スカラーパワースペクトルはどの程度大きくなければならないか？

主な発見

• スケール不変な揺らぎを仮定した場合、$30\,M_\odot$ の原始的ブラックホールの形成を確実にするには、$k \sim 1/R$ でスカラーパワースペクトルを約 $10^4$ 倍に増幅させる必要がある。
• アキソンのリリック密度は $\Omega_a \sim 0.3\left(m/10^{-22}\,{\rm eV}\right)^{1/2}\left(f/4\times 10^{16}\,{\rm GeV}\right)^2$ と推定され、観測されたダークマターの豊度と整合的である。
• 自己相互作用を有するダークマターで $\lambda \sim 1$ の場合、質量 $m \sim 10^{-11}\,{\rm GeV}$ で $\sigma/m \sim 0.1\,{\rm cm}^2/{\rm g}$ となり、観測された断面積制約を満たす。
• $3\to 2$ 生成断面積 $\sigma v \sim 1/m^5$ を持つSIMPダークマターは、$m \sim 10\,{\rm GeV}$ で正しいリリック密度を生成する。
• 関連スケールでパワースペクトルが顕著に増幅されない限り、ガウス型揺らぎからの $30\,M_\odot$ ブラックホール形成確率は指数関数的に抑制される。
• 不整合メカニズムにより、アキソンに類似したダークマターが生成され、そのリリック密度は $\Omega_a \propto m^{1/2} f^2$ に比例し、$f$ はアキソンの崩壊定数である。