[논문 리뷰] Baryogenesis through baryon capture by black holes

A. D. Dolgov, N. A. Pozdnyakov|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이เอก립자와 반핵자들이 초기 블랙홀(PBHs)에 선택적으로 포획되는 새로운 메커니즘을 제안하며, 이는 바리온 수 위반 없이 열적 평형 상태에서 작용한다. 비대칭성은 CP 및 C 위반 상호작용으로 인해 X와 X̄ 입자 간의 산란 단면적에 차이가 생기면서 발생하며, 이로 인해 반핵자가 선호적으로 포획되어 CP 위반에 의해 결정되는 단면적의 분리 비율에 비례하는 순 바리온 비대칭성이 생성된다.

ABSTRACT

A novel mechanism of cosmological baryogenesis through baryon capture by primordial black holes is suggested. In contrast to the conventional scenarios it does not demand non-conservation of baryonic number in particle physics and can proceed in thermal equilibrium. For implementation of this mechanism a heavy superweakly interacting particle a with non-zero baryon number is necessary.

연구 동기 및 목표

• 바리온 수 비보존을 요구하지 않는 새로운 우주론적 바리온 생성 메커니즘을 제안하기 위해.
• 초기 블랙홀(PBHs)이 핵자와 반핵자를 다르게 포획함으로써 바리온 비대칭성이 어떻게 생성될 수 있는지 탐구하기 위해.
• 표준 사크하로프 조건과는 반대로 열적 평형 상태에서도 바리온 생성이 가능할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이 메커니즘이 작동하기 위한 필수 입자물리적 조건—특히 비퇴화된 단면적을 가진 CP 및 C 위반 상호작용—을 규명하기 위해.

제안 방법

• 중력, 전자기력 및 산란력이 고려된 PBH 근처의 X 및 X̄ 입자 운동 방정식을 모델링하기 위해.
• 운동량 이행과 산란 단면적을 포함한 유체 속도 방정식을 사용하여 X와 X̄ 입자 간의 포획 속도 차이를 유도하기 위해.
• 1차원 루프 보정을 통해 CP 위반에 기인한 산란 단면적의 분리를 추정하며, 이 차이는 α 비례함을 보여주기 위해.
• 무거운 H 입자가 X + q → H + 2q̄ 를 매개하는 초대칭 유사 모델을 사용하여 비대칭 단면적을 가능하게 하기 위해.
• 최종 상태에서 초기 입자를 배제할 경우 발생하는 X와 X̄ 산란에 대한 총 단면적을 분석하여, 이들 간의 차이가 발생하는 조건을 규명하기 위해.
• 비대칭성이 허블 팽창률 감소와 함께 증가함을 보여주며, 느린 팽창(큰 플랑크 질량)이 유리함을 입증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열적 평형 상태에서 바리온 수 위반 없이 바리온 생성이 가능할 수 있는가?
• RQ2 PBH가 핵자를 반핵자보다 선호적으로 포획하기 위해 필요한 조건은 무엇인가?
• RQ3 CP 및 C 위반은 이 맥락에서 입자와 반입자 간의 산란 단면적을 어떻게 다르게 만들 수 있는가?
• RQ4 반사 보정은 단면적의 필요한 비대칭성을 어떻게 생성하는가?
• RQ5 왜 이 모델에서 플랑크 질량이 클수록 바리온 비대칭성이 증가하는가?

주요 결과

• 이 메커니즘은 표준 조건인 열적 평형에서의 이탈 요구 사항을 회피하면서도 열적 평형 상태에서 바리온 비대칭성을 생성한다.
• 비대칭성은 X와 X̄ 입자 간의 산란 단면적에서 발생하는 작은 CP 및 C 위반에 기인한 분리로 발생하며, 이는 δ ∝ α로 추정된다.
• 단면적의 차이는 가상의 Y 입자를 포함한 1차원 루프 보정에 의해 유도되며, 이로 인해 플라즈마 내에서 X와 X̄의 이동성이 다르게 된다.
• 비대칭성은 산란 진폭 내의 CP 위반 매개변수에 비례하며, 허블 팽창률 감소와 함께 증가한다.
• 이 모델은 더 큰 플랑크 질량(더 느린 팽창)일수록 바리온 비대칭성이 증가함을 예측하며, 이는 표준 바리온 생성과는 반대되는 경향을 보인다.
• 가상의 블랙홀 형성에 의한 양성자 붕괴는 억제되며, 수명 τ_p ∼ 10^45 년으로 보존되어 양성자 안정성을 확보한다.