[논문 리뷰] Primordial black holes from bubble collisions during a first-order phase transition

Tae Hyun Jung, Takemichi Okui|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 08.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서의 1차 상전이 동안, 두꺼운 유체 필름을 가진 근접 사건의 지평선 크기의 기포들이 충돌함으로써 초기 블랙홀(PBHs)이 형성될 수 있다고 제안한다. 호 가설을 사용하여 이러한 충돌이 단색 스펙트럼의 PBH 질량 분포를 생성할 수 있음을 보이며, 모델 매개변수에 따라 어두운 물질 수준에 도달하거나 우주를 과도하게 닫을 수 있는 비율을 가질 수 있음을 보여준다. 향후 시뮬레이션에서 유도된 매개변수에 기반한다.

ABSTRACT

We study the possibility of production of primordial black holes (PBHs) from bubble collisions during a first-order phase transition. While typical colliding bubbles are small and irrelevant for PBH production, we find that those that can produce PBHs must have a macroscopically thick fluid shell and have been born much before the typical nucleation time. Particularly large uncertainties arise from an exponential sensitivity of the nucleation rate on the required duration of bubble growth which depends on the details of the collisions and the evolution of the spacetime metric toward the end of the phase transition. We introduce a few parameters to be obtained from future numerical simulation to represent those unknowns, and estimate the PBH abundance in an Abelian Higgs benchmark model and show that it can be significant. We predict an approximately monochromatic PBH mass spectrum, and find regions in the parameter space where the PBHs can constitute entire dark matter or even over-close the universe. Our result thus shows that models with a first-order phase transition can be constrained by over-abundant PBHs or null results of other PBH searches.

연구 동기 및 목표

• 1차 상전이 중 기포 충돌이 관측 가능한 정도의 중요한 초기 블랙홀(PBHs)을 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 사건의 지평선 크기의 기포와 두꺼운 유체 필름을 가진 기포벽이 PBH 형성에 필수적인 물리적 조건임을 규명하기 위해.
• 향후 시뮬레이션에서 유도된 수치적 매개변수와 호 가설을 사용하여 벤치마크 아벨리안 히긴스 모델에서 PBH의 밀도를 추정하기 위해.
• PBH 과잉 생성의 천체물리적 영향을 평가하기 위해, 즉 우주 과잉 폐쇄 또는 PBH 탐색의 null 결과로부터의 제약 조건을 포함하여.
• 1차 상전이 모델을 PBH 탐지 또는 비탐지 결과를 통해 검증할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 블랙홀 형성 조건으로 호 가설을 적용하여, 2GM ≳ C_D 를 요구하며, 여기서 C_D 는 밀도가 높은 영역 D 의 최대 둘레이다.
• 기포가 충돌하여 형성된 밀도가 높은 영역 D 를 모델링하며, 기포 벽에 매크로스코픽 두께의 유체 필름이 존재함을 가정한다. 이는 충분한 질량 농축을 가능하게 한다.
• 기포 반지름이 사건의 지평선 크기와 근접하다고 가정하고, 차원 분석을 통해 임계 필드 값 φ_c 를 온도 T 와 질량 척도 μ_* 와 연결한다.
• 열 인스탄트론 방법을 사용하여 기포 핵형성 비율 Γ_n(T) 을 추정하며, 지수 감쇠는 e^(-S_4[φ_c]) 와 주어지고, 계수항은 T^4 이다.
• 진공 지배 팽창 기간 동안 유효한 T(t) = T_n exp(-H(t - t_n)) 를 통해 온도 의존 비율을 시간 의존 비율로 변환한다.
• κ, ΔΩ/4π, g 와 같은 매개변수를 사용하여 결과를 스케일링함으로써, PBH 형성 확률 P_PBH(t) 와 수밀도 n_PBH 를 비율의 통합을 통해 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1차 상전이 중 기포 충돌이 관측 가능한 정도의 밀도를 가진 초기 블랙홀(PBHs)을 생성할 수 있는가?
• RQ2 기포 크기와 필름 두께와 같은 특정 물리적 조건이 중요한 PBH 형성에 필수적인가?
• RQ3 이러한 충돌에서 형성된 PBH의 기대 질량 스펙트럼은 무엇이며, 단색인가?
• RQ4 耦합 상수 g, 진공 에너지 척도 μ_*, 고체 각도 ΔΩ 와 같은 모델 매개변수에 따라 PBH 밀도는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 이 메커니즘에 의한 PBH 과잉 생성이 1차 상전이를 가진 모델을 제약하거나 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 사건의 지평선 크기의 기포와 두꺼운 유체 필름을 가진 기포의 충돌은 블랙홀 형성 조건을 만족하는 호 가설을 충족시켜 PBH 형성을 가능하게 한다.
• 결과적으로 형성된 PBH 질량 스펙트럼은 기포 벽의 역학과 에너지 밀도 압축에 의해 결정되는 약간의 단색 스펙트럼을 띤다.
• 아벨리안 히긴스 모델의 기준 모델에서 PBH는 어두운 물질 밀도 전체를 차지하거나, 매개변수에 따라 우주를 과잉 폐쇄할 수 있다.
• PBH 밀도 f_PBH 는 고체 각도 ΔΩ/4π 에 대해 지수적으로 민감하며, 더 작은 각도에서는 억제된다.
• 향후 수치 시뮬레이션은 유체 필름 두께와 벽 속도 프로파일을 정확히 해상화해야 PBH 수확량을 정확히 추정할 수 있다.
• 핵형성 비율에 대한 양자 터널링 기여는 열적 비율에 비해 무시할 수 있을 정도로 작으며, 이는 고전적 열 인스탄트론 추정치를 사용하는 것이 정당화됨을 보여준다.