[논문 리뷰] Baryogenesis from ultralight primordial black holes and strong gravitational waves

Satyabrata Datta, Ambar Ghosal외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 10^9 g 이하의 초경량 초기 블랙홀(PBHs)이 호킹 복사에 의해 증발하면서 오른쪽 편재성 중성자를 생성하고, 이로 인해 경량 생성이 유도되는 비대칭성 생성 메커니즘을 제안한다. 오른쪽 편재성 중성자 질량을 생성하는 동일한 U(1) 게이지 대칭의 비틀림이 우주 끈 네트워크를 만들어내며, 이는 펄서 타이밍 어레이와 LIGO에서 감지 가능한 강력한 잡음성 중력파 신호를 생성한다. 블랙홀 지배 시기로 인해 MHz 주파수 대역에서 스펙트럼의 끊김이 나타나며, 이는 고주파 중력파 탐지기가 전체를 관측하기 위해 필요하다. NANOGrav의 데이터는 작은 끈 고리(α < 0.01)를 선호한다.

ABSTRACT

Ultralight primordial black holes (PBHs)($\lesssim10^9$g) completely evaporate via Hawking radiation (HR) and produce all the particles in a given theory regardless of their other interactions. If the right handed (RH) neutrinos are produced from PBH evaporation, successful baryogenesis via leptogenesis predicts mass scales of RH neutrinos and black holes. We show that, given the lepton number violation (generation of RH masses) in the theory is a consequence of a gauged $U(1)$ breaking which is then followed by the formation of PBHs, a network of cosmic string naturally gives rise to strong stochastic gravitational wave (GW) signal, for example, at the level of pulsar timing arrays (PTA) and LIGO. Apart from that, due to a period of black hole domination in the early universe, for which baryon asymmetry is independent of initial PBH density, a break in the GW spectra occurs around MHz frequency. Therefore, to observe the break along with the usual GW signal by the emission of gravitons via HR, one needs GW detectors at higher frequencies. Within the PBH baryogenesis scenario, the recent finding by the NANOGrav PTA of a stochastic common spectrum process (interpreted as GWs) across many pulsars is better fitted with string loops of smaller size ($\alpha<0.01$).

연구 동기 및 목표

• 초기 우주 단계의 단층 전이 잔여물인 초경량 PBHs(≤10^9 g)가 호킹 복사에 의해 증발하면서 발생하는 경량 생성을 통해 관측된 우주의 빈도 비대칭성을 설명하는 것.
• 오른쪽 편재성 중성자 질량 생성과 동시에 우주 끈 형성으로 이어지는 게이지된 U(1) 대칭의 비틀림을 연결하는 것.
• 우주 끈에서 기인하는 강력한 잡음성 중력파 배경을 펄서 타이밍 어레이와 LIGO에서 감지 가능한 것으로 예측하는 것.
• 초기 우주에서 블랙홀 지배 시기로 인해 MHz 주파수 대역 근처에서 중력파 스펙트럼에 특징적인 끊김이 나타나는 것을 규명하는 것.
• 최근 NANOGrav 펄서 타이밍 어레이 결과를 우주 끈 고리 방출에 의해 설명할 수 있도록 모델을 조정하고, 작은 우주 끈 고리(α < 0.01)를 선호하는 것.

제안 방법

• 초기 우주의 단층 전이 잔여물로 초경량 PBHs(≤10^9 g)의 형성을 모델링하는 것.
• 호킹 복사에 의해 입자 생성을 계산하여, 오른쪽 편재성 중성자를 포함한 이론 전반의 입자들을 도출하는 것.
• 오른쪽 편재성 중성자 질량 생성과 동시에 우주 끈 형성을 유도하는 게이지된 U(1) 대칭의 자발적 비틀림을 도입하는 것.
• 우주 끈 고리에서 기인하는 중력파 방출을 시뮬레이션하여, 펄서 타이밍 어레이와 LIGO에서 감지 가능한 잡음성 배경을 분석하는 것.
• 초기 우주에서 블랙홀 지배 시기의 특성을 분석하여, MHz 주파수 대역 근처에서 중력파 파wer 스펙트럼에 끊김이 나타나는 원리를 유도하는 것.
• 예측된 중력파 신호를 NANOGrav의 관측된 잡음성 공통 과정과 비교하여 끈 고리 크기 파rameter α를 피팅하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10^9 g 이하의 초경량 초기 블랙홀(PBHs)이 호킹 복사에 의해 증발하면서 오른쪽 편재성 중성자를 생성하고, 이로 인해 경량 생성이 일어나는 데 있어 실현 가능할 수 있는가?
• RQ2 오른쪽 편재성 중성자 질량 생성과 동시에 우주 끈 형성과 감지 가능한 잡음성 중력파 배경을 유도하는 동일한 U(1) 게이지 대칭 비틀림이 존재하는가?
• RQ3 초기 우주에서 블랙홀 지배 시기로 인해 MHz 주파수 대역 근처에서 중력파 스펙트럼에 끊김이 나타나는가?
• RQ4 이 모델은 우주 끈 고리 방출에 의해 최근 NANOGrav 펄서 타이밍 어레이에서 관측된 잡음성 공통 과정을 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 프레임워크에서 NANOGrav 데이터는 우주 끈 고리의 크기(α로 특징화됨)에 대해 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• 10^9 g 이하의 초경량 PBHs는 완전히 호킹 복사에 의해 증발하며, 이 과정에서 이론 전반의 입자, 특히 경량 생성에 필수적인 오른쪽 편재성 중성자를 모두 생성한다.
• 오른쪽 편재성 중성자 질량 생성과 동시에 우주 끈 네트워크를 만들어내며, 이는 펄서 타이밍 어레이와 LIGO에서 감지 가능한 강력한 잡음성 중력파를 방출한다.
• 초기 우주에서 블랙홀 지배 시기로 인해 MHz 주파수 대역 근처에서 중력파 파워 스펙트럼에 특징적인 끊김이 나타난다.
• 이 끊김은 복사 지배에서 블랙홀 지배로의 전이로 인해 발생하며, 이 특징을 관측하기 위해서는 고주파 중력파 탐지기가 필수적이다.
• 이 모델은 우주 끈 고리가 작을 경우, 즉 끈 고리 크기 파rameter α < 0.01일 경우 NANOGrav 펄서 타이밍 어레이 데이터와 더 잘 맞는다.
• 이 메커니즘을 통해 생성된 빈도 비대칭성은 初기 PBH 밀도에 영향을 받지 않아, 初기 조건의 불확실성에 대해 강건하다.