[논문 리뷰] TASI Lectures on Early Universe Cosmology: Inflation, Baryogenesis and Dark Matter

James M. Cline|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 23.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주 우주론적 메커니즘—초기 인플레이션, 비대칭 생성(레프토제네시스 및 전자기약력 비대칭 생성), 암흑물질 생성—에 대한 종합적이고 교육적인 개요를 제공한다. 이는 이론적 프레임워크, 관측 제약 조건, 모델 구축 기법에 중점을 두고 있다. 열적 동결, 비대칭 암흑물질, 프리즈인, SIMP 모델, 양자수의 비대칭, 그리고 초기 블랙홀 형성에 대한 통합적 접근를 제시하며, CMB 및 LHC 데이터로부터의 유량 밀도 추정치와 제약 조건을 포함한다.

ABSTRACT

These lectures, presented at TASI 2018, provide a concise introduction to inflation, baryogenesis, and aspects of dark matter not covered by the other lectures. The emphasis for inflation is an intuitive understanding and techniques for constraining inflationary models. For baryogenesis we focus on two examples, leptogenesis and electroweak baryogenesis, with attention to singlet-assisted two-step phase transitions. Concerning dark matter, we review different classes of models distinguished by their mechanisms for obtaining the observed relic density, including thermal freeze-out, asymmetric dark matter, freeze-in, SIMP dark matter, the misalignment mechanism for ultralight scalars and axions, and production of primordial black holes during inflation. Problem sets are provided.

연구 동기 및 목표

• 병행 TASI 강의에서 다루지 않은 인플레이션, 비대칭 생성, 암흑물질 메커니즘에 대한 자율적이고 접근 가능한 소개를 제공하기 위해.
• 연구자들이 인플레이션 모델과 비대칭 생성 시나리오를 제약하는 데에 통찰력과 정량적 도구를 갖출 수 있도록 하기 위해.
• 열적 동결, 비대칭 암흑물질, 프리즈인, SIMP, 양자수의 비대칭, 그리고 초기 블랙홀 형성과 같은 다양한 암흑물질 생성 메커니즘을 검토하며, 잔류 밀도 계산에 중점을 두기 위해.
• 이론과 관측을 연결하는 문제 세트를 제공하여, 우주론적 제약 조건과 모델 구축 기법의 실용적 적용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 우주의 팽창 동역학과 에너지 밀도의 진화를 유도하기 위해 자연 단위와 프리드만-로버트슨-워커 계량을 사용한다.
• 우주론적 미세변동 이론을 적용하여 인플레이션 필드의 양자적 변동과 그들의 스펙트럼을 계산하고, 이를 CMB 이방이성과 연결한다.
• 레프토제네시스와 전자기약력 전이의 맥락에서 $B$ 및 $C,CP$ 위반을 고려하여 비대칭 생성을 분석하며, 제1종 전이 조건을 포함한다.
• 다양한 암흑물질 모델—열적 동결, 비대칭 암흑물질, 프리즈인, SIMP, 양자수의 비대칭, 초기 블랙홀 형성—에 대한 잔류 밀도 공식을 유도한다.
• 가우시안 필드의 로그노멀 분포를 사용하여 초기 밀도 불균형에서 블랙홀 형성 확률을 추정한다.
• 비대칭 메커니즘을 사용하여 축정수의 잔류 밀도를 질량과 붕괴상수의 함수로 유도하며, COBE 정규화를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 기간 동안의 양자적 변동은 어떻게 CMB에서 관측된 초기 밀도 불균형을 생성하는가?
• RQ2 성공적인 레프토제네시스 시나리오를 위해 필요한 조건은 무엇이며, 특히 무거운 오른쪽 수성자 붕괴와 $CP$ 비대칭에 대해 어떤 조건이 필요한가?
• RQ3 전자기약력 비대칭 생성은 관측된 양성자 비대칭을 생성할 수 있는가? 강한 제1종 전이 조건을 요구함에 따라 어떤 제약 조건이 발생하는가?
• RQ4 관측된 잔류 밀도 $\Omega_{\rm DM} \sim 0.3$를 재현할 수 있는 타당한 암흑물질 생성 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 초기 밀도 불균형에서 $30\,M_\odot$의 초기 블랙홀 형성 확률는 얼마이며, 이에 대해 스케일 스펙트럼이 얼마나 크게 증가해야 확률가능성이 높아지는가?

주요 결과

• 스케일 불변의 변동을 가정할 경우, $30\,M_\odot$의 초기 블랙홀 형성이 가능해지기 위해 $k \sim 1/R$ 에서 스케일 스펙트럼이 약 $\sim 10^4$ 배 증폭되어야 한다.
• 축정수의 잔류 밀도는 $\Omega_a \sim 0.3\left(m/10^{-22}\,{\rm eV}\right)^{1/2}\left(f/4\times 10^{16}\,{\rm GeV}\right)^2$ 로 추정되며, 관측된 암흑물질 밀도와 일치한다.
• 자기상호작용 암흑물질에서 $\lambda \sim 1$ 인 경우, 질량 $m \sim 10^{-11}\,{\rm GeV}$ 는 $\sigma/m \sim 0.1\,{\rm cm}^2/{\rm g}$ 의 관측된 단면적 제약 조건을 충족한다.
• 3체에서 2체로의 상호작용 단면적 $\sigma v \sim 1/m^5$ 을 가진 SIMP 암흑물질은 $m \sim 10\,{\rm GeV}$ 에서 올바른 잔류 밀도를 제공한다.
• 관련 스케일에서 스펙트럼이 크게 증폭되지 않는 한, 가우시안 변동에서 $30\,M_\odot$ 블랙홀 형성 확률는 지수적으로 억제된다.
• 비대칭 메커니즘은 축정수 유형의 암흑물질을 생성하며, 잔류 밀도는 $\Omega_a \propto m^{1/2} f^2$ 와 같이 스케일되며, 여기서 $f$ 는 축정수 붕괴상수이다.