[논문 리뷰] Primordial black holes from the QCD epoch: Linking dark matter, baryogenesis and anthropic selection

B. J. Carr, Sébastien Clesse외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 03.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 QCD 시기 동안 형성된 초기 블랙홀(PBHs)이 어둠소물질, 양성비와 인과적 선택을 자연스럽게 연결한다고 제안한다. 칸드라세카르 한계 근처의 질량을 가진 PBHs는 충격加열을 통해 국소적인 양성비 비대칭을 생성하며, 이는 관측된 어둠소물질 대 빛의 밀도 비율(~6)을 설명하고, 인플레이션 기간 동안 스토하스틱 관측자 장에 기인한 곡률 변동으로 인해 인과적 선택된 붕괴 분율과 연결된 미세조정 문제를 해결한다.

ABSTRACT

If primordial black holes (PBHs) formed at the quark-hadron epoch, their mass must be close to the Chandrasekhar limit, this also being the characteristic mass of stars. If they provide the dark matter (DM), the collapse fraction must be of order the cosmological baryon-to-photon ratio $\sim 10^{-9}$, which suggests a scenario in which a baryon asymmetry is produced efficiently in the outgoing shock around each PBH and then propagates to the rest of the Universe. We suggest that the temperature increase in the shock provides the ingredients for hot spot electroweak baryogenesis. This also explains why baryons and DM have comparable densities, the precise ratio depending on the size of the PBH relative to the cosmological horizon at formation. The observed value of the collapse fraction and baryon asymmetry depends on the amplitude of the curvature fluctuations which generate the PBHs and may be explained by an anthropic selection effect associated with the existence of galaxies. We propose a scenario in which the quantum fluctuations of a light stochastic spectator field during inflation generate large curvature fluctuations in some regions, with the stochasticity of this field providing the basis for the required selection. Finally, we identify several observational predictions of our scenario that should be testable within the next few years. In particular, the PBH mass function could extend to sufficiently high masses to explain the black hole coalescences observed by LIGO/Virgo.

연구 동기 및 목표

• 우주의 어둠소물질 밀도와 빛의 밀도가 모두 임계 밀도 단위로 약 10^-9 수준인 이 놀라운 일치를 설명한다.
• 모든 어둠소물질를 차지하기 위해 필요한 PBH 붕괴 분율 β ~ 10^-9의 미세조정 문제를 해결한다.
• PBH 형성, 빛의 비대칭 생성, 인과적 선택을 하나의 천체물리적 틀 안에서 통합한다.
• LIGO/Virgo에서의 PBH 질량 함수와 중력파 신호에 대한 검증 가능한 예측을 제공한다.
• 사소한 조정 없이도 관측된 빛 대 포톤 비율 η ~ 10^-9를 물리적 메커니즘으로 설명한다.

제안 방법

• 인플레이션 기간 동안 스토하스틱 관측자 장에 의해 결정되는 진폭을 가진 곡률 변동을 사용하여 QCD 전이 시기의 PBH 형성을 모델링한다.
• PBH가 δ > δ_c 일 때 형성된다고 가정하고, 비정규 분포의 꼬리에서 붕괴 분율 β를 계산한다.
• 각 PBH 주변의 충격加열을 통해 전기약력 과정을 통해 국소적인 빛 비대칭을 생성하며, 효율성 γ ~ 1로 가정한다.
• 빛 비대칭을 전 세계적으로 전파하여 β 배수로 감소시키며, 이로써 β가 관측된 η ~ 10^-9와 연결된다.
• 은하 형성의 필요 조건에 기반하여 β와 η가 모두 약 10^-9임을 설명하기 위해 인과적 선택을 적용한다.
• 곡률 변동의 스펙트럼에서 질량 함수를 유도하며, 관측자 장의 에너지 스케일에 따라 영향을 받는 저질량 절단값을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 어둠소물질 밀도 대 빛의 밀도 비율이 약 6이며, 이는 하나의 물리적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 왜 PBH 붕괴 분율 β ~ 10^-9가 미세조정 없이 자연스럽게 달성될 수 있는가?
• RQ3 PBH 형성에 의한 충격파가 빛의 비대칭 생성을 유도할 수 있으며, 그 효율성은 어떠한가?
• RQ4 왜 인과적 선택이 β와 빛 대 포톤 비율 η의 관측값을 설명하는 데 기여하는가?
• RQ5 근래에 검증 가능한 관측적 신호, 예를 들어 중력파 신호 또는 CMB 이질성은 무엇이 있는가?

주요 결과

• PBH 질량 함수는 고질량 쪽으로 연장되며, LIGO/Virgo의 이중 블랙홀 병합 사건을 설명할 수 있다.
• 빛 비대칭이 각 PBH 주변에서 효율성 ~1로 국소적으로 생성되고 β 배수로 희석되므로, 붕괴 분율 β가 자연스럽게 η ~ 10^-9 수준이 된다.
• 관측된 빛 대 포톤 비율 η ~ 10^-9는 충격加열 효율성과 우주에서 PBH로 붕괴하는 비율 간의 상호작용으로 발생한다.
• 모델은 관측자 장의 에너지 스케일에 의해 결정되는 저질량 절단값을 가진 비정규, 비단일질량 PBH 질량 함수를 예측한다.
• PBH 형성과 충격 유도 빛의 비대칭 생성에 기반한 물리적 메커니즘으로 어둠소물질과 빛의 밀도의 일치를 설명한다.
• 관측된 β와 η 값은 미세조정이 아니라, 인플레이션 기간 동안 희귀한 큰 곡률 변동의 통계적 성질에서 유래한다.