[논문 리뷰] A common origin for baryons and dark matter

J. García-Bellido, B. J. Carr외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 25.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 쿼르크-하드론 전이 기간 동안 기원적 블랙홀(PBH) 형성이 통해 바리온과 암흑물질의 통합 기원을 제안한다. 큰 비균일성의 중력적 붕괴는 '기원적 초신성' 충격파를 유도하며, 이는 전기약한 스필레론 전이를 가능하게 하여 국소적으로 바리온 비대칭을 생성한다; 이러한 결과로 생긴 PBH들은 암흑물질을 구성하며, 관측된 바리온 대 광자 비율과 바리온 및 암흑물질의 유사한 에너지 밀도를 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

The origin of the baryon asymmetry of the Universe (BAU) and the nature of dark matter are two of the most challenging problems in cosmology. We propose a scenario in which the gravitational collapse of large inhomogeneities at the quark-hadron epoch generates both the baryon asymmetry and dark matter in the form of primordial black holes (PBHs). This is due to the sudden drop in radiation pressure during the transition from a quark-gluon plasma to non-relativistic hadrons. The collapse to a PBH is induced by fluctuations of a light spectator scalar field in rare regions and is accompanied by the violent expulsion of surrounding material, which might be regarded as a sort of "primordial supernova" . The acceleration of protons to relativistic speeds provides the ingredients for efficient baryogenesis around the collapsing regions and its subsequent propagation to the rest of the Universe. This scenario naturally explains why the observed BAU is of order the PBH collapse fraction and why the baryons and dark matter have comparable densities. The predicted PBH mass distribution ranges from sub-solar to several hundred solar masses. This is compatible with current observational constraints and could explain the rate, mass and low spin of the black hole mergers detected by LIGO-Virgo. Future observations will soon be able to test this scenario.

연구 동기 및 목표

• 우주의 바리온 비대칭(BAU) 기원과 암흑물질의 본질이 동일한 물리적 과정에서 유래한다는 것을 설명하는 것.
• 왜 바리온과 암흑물질이 우주에서 유사한 에너지 밀도를 가지는지에 대한 수수께끼를 해결하는 것.
• QCD 전이 기간 동안의 비평형 조건을 통해 PBH 형성과 바리온 생성을 연결하는 메커니즘을 제공하는 것.
• LIGO-Virgo 관측 결과와 현재의 천체물리학적 제약 조건에 부합하는 PBH 질량 분포를 예측하는 것.
• 관측된 작은 BAU가 PBH 형성 영역의 희귀성에서 자연스럽게 유도된다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 쿼르크-하드론 전이 기간 동안, 비상대론적 하드론 형성이 뒤이어 빛의 압력이 급격히 감소함에 따라 발생하는 Hubble 크기의 복사 영역의 중력 붕괴를 모델링한다.
• 에너지 및 운동량 보존 원리를 사용하여 붕괴 영역에서 충격파가 방출되는 것을 시뮬레이션하며, 이는 '기원적 초신성'과 유사하다.
• 고온의 비평형 핫스팟에서 전기약한 스필레론 전이를 적용하여 캐럴리 안정성에 기반한 국소적 바리온 수를 생성한다.
• PBH가 암흑물질을 모두 차지할 경우 β ≈ η ∼ 10−9가 되도록 붕괴 분율 β를 사용하여 PBH 질량 함수를 유도하며, γ는 붕괴 효율을 의미한다.
• 중력 잠재 에너지 붕괴에서 발생하는 에너지 방출을 추정한다: ΔK ≈ (1/γ − 1)MH로, 이는 상대론적 입자 가속을 가능하게 한다.
• 곡률 불균일성을 생성하기 위해 관측자 스칼라 장을 도입하며, 붕괴 확률은 임계 곡률 ζc에 대해 지수적으로 민감하게 반응한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기원적 블랙홀 형성 기간 동안 국소적이고 폭력적인 과정이 우주의 바리온 비대칭을 유도할 수 있는가?
• RQ2 왜 바리온과 암흑물질은 우주에서 유사한 에너지 밀도를 가지는가?
• RQ3 관측된 작은 바리온 대 광자 비율 η ∼ 10−9가 PBH 형성 영역의 희귀성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 쿼르크-하드론 전이가 PBH 형성과 바리온 생성을 위한 충분한 조건를 제공하는가?
• RQ5 예측된 PBH 질량 분포가 LIGO-Virgo의 블랙홀 병합 관측 결과와 일치하는가?

주요 결과

• 바리온 비대칭은 PBH 형성에 의해 생성된 핫스팟에서 전기약한 스필레론 전이에 의해 발생하며, 표준모형의 CP 위반은 국소적 바리온 대 광자 비율 ≥1을 생성하는 데에 충분하다.
• 관측된 전반적 바리온 대 광자 비율 η ≈ 6 × 10−10은 빛의 속도로 전파되는 상대론적 바리온에 의한 국소적으로 생성된 비대칭의 희석으로 인해 발생한다.
• PBH가 암흑물질을 모두 차지할 경우 Hubble 영역 중 붕괴하는 비율은 β ≈ 10−9이며, 이는 관측된 BAU와 일치한다.
• 예측된 PBH 질량 함수는 태양 질량 근처에서 피크를 이룬다. 질량 범위는 태양 질량 이하에서 수백 태양 질량까지 다양하며, 현재의 관측 제약 조건과 일치한다.
• 이 시나리오는 QCD 시대의 공통 기원을 통해 LIGO-Virgo의 병합률, 질량, 낮은 스핀을 설명할 수 있다.
• 미래의 LIGO-Virgo 데이터는 PBH 질량 함수를 통해 모델의 예측을 직접적으로 검증할 수 있다.