[論文レビュー] The Matter-Antimatter Asymmetry of the Universe

F. W. Stecker|ArXiv.org|Jul 26, 2002

Relativity and Gravitational Theory被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、宇宙論における物質-反物質対称性の問題をレビューし、バリオゲネシス（過剰物質の生成）が、サハロフの条件によって形式化された非平衡状態下でのバリオン数、C、CP対称性の破れを要件とする、と提唱している。また、自発的CP対称性の破れと中程度のインフレーションによって生じる大規模な物質-反物質ドメイン構造の可能性を検討し、宇宙線および宇宙背景ガンマ線からの観測的制約を提示している。

ABSTRACT

I will give here an overview of the present observational and theoretical situation regarding the question of the matter-antimatter asymmetry of the universe and the related question of the existence of antimatter on a cosmological scale. I will also give a simple discussion of the role of CP violation in this subject.

研究の動機と目的

• 単純なビッグバン凍結計算で予測される値よりも9桁も高い、観測されたバリオン密度（宇宙におけるバリオン対光子比）を説明すること。
• 高エネルギーでのCP対称性の破れが、バリオゲネシス機構を通じて観測された物質-反物質非対称性をどのように生成するかを調査すること。
• 物質と反物質の領域が宇宙規模の境界で分離されている、局所的に非対称なドメイン宇宙論（LADC）の妥当性を評価すること。
• ガンマ線背景測定と宇宙線データを用いて、大規模な反物質ドメインに対する観測的制約を評価すること。
• 等方性の検出と物質-反物質境界の兆候を特定するため、低質量・低汚染のMeVガンマ線衛星ミッションを推奨すること。

提案手法

• 電弱温度におけるスファラロン遷移に注目し、標準模型および統一理論（GUT）におけるバリオン数およびCP対称性の破れを分析する。
• 初期宇宙におけるバリオゲネシスをモデル化するために、サハロフの3条件（バリオン数の破れ、CおよびCP対称性の破れ、熱的平衡からの逸脱）を適用する。
• 自発的CP対称性の破れと中程度のインフレーションが、それぞれ逆のCP奇性を持つ物質および反物質の巨視的ドメインを生成する役割を評価する。
• 物質-反物質ドメイン境界での消失率の理論的推定値を用いて、ガンマ線放射能を予測し、観測データと比較する。
• ガンマ線検出器における宇宙線誘発の背景汚染の影響を検討し、よりクリーンで専用のMeV衛星機器の設計原則を提言する。
• GLAST衛星を用いて20 MeVガンマ線背景の非等方性をテストすることを提案するが、解明されていないブラザールからの汚染の可能性にも言及する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サハロフの条件下でのバリオゲネシスによって、宇宙における観測されたバリオン密度（Ω_baryon ≈ 4×10⁻²）を説明できるか？
• RQ2 高エネルギーでのCP対称性の破れが物質-反物質非対称性を生成する役割を果たす仕組みは何か？また、中間子およびB中間子崩壊で観測された低エネルギーでのCP対称性の破れとはどのように関係するか？
• RQ3 ローカルに非対称なドメイン宇宙論（LADC）が予測するように、宇宙に物質と反物質の領域が宇宙規模の境界で分離されている可能性は存在するか？
• RQ4 ドメイン境界での物質-反物質消失から残る観測的兆候は何か？そして、拡散ガンマ線背景からどのように検出できるか？
• RQ5 現在のガンマ線および宇宙線測定値は、宇宙論的に有意義な反物質領域の存在をどの程度排除しているか？

主な発見

• 単純なビッグバン凍結計算では、バリオン密度がΩ_baryon ≈ 4×10⁻¹¹と予測されるが、これは観測値（≈ 4×10⁻²）よりも9桁も小さい。
• 観測されたバリオン非対称性は、サハロフの3条件によって形式化された非平衡状態下でのバリオン数、C、CP対称性の破れを要件とする。
• 自発的CP対称性の破れに続く中程度のインフレーションは、それぞれ逆のCP奇性を持つ巨視的ドメインの物質および反物質の形成をもたらす可能性がある。
• ガンマ線消失制約から得られる化石的ドメインサイズは、少なくとも10 Mpc（アポロ15号データ）または1 Gpc（Cohenら）であり、銀河スーパクラスタスケールの構造を示唆する。
• 低エネルギー宇宙線測定により、銀河内に顕著な反物質が存在することは排除され、銀河系内での反物質領域はビッグバン核合成を破壊する。
• 拡散背景の曖昧さを解消し、20 MeVでの等方性をテストするため、低質量・低汚染のMeVガンマ線衛星ミッションが必要である。この衛星は、物質-反物質ドメイン境界の兆候を明らかにできる可能性を有する。