[論文レビュー] Baryogenesis from ultralight primordial black holes and strong gravitational waves

Satyabrata Datta, Ambar Ghosal+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、10^9 g未塔の超軽量原始ブラックホール（PBH）がホーキング放射によって蒸発し、右手スピンニュートリノを生成することでバリオゲネシスを駆動するメカニズムを提案する。同じU(1)ゲージ対称性の破れが右手スピンニュートリノ質量を生成する一方で、宇宙ひもネットワークを形成し、パulsarタイムイングアレイとLIGOで検出可能な強力なストキャスティック重力波信号を発生させる。ブラックホール支配の時代に起因するため、MHz周波数帯にスペクトルの折り返し（スペクトルブレーク）が現れ、完全な観測には高周波数重力波望遠鏡が必要となる。NANOGravのデータは、小さなひも（α < 0.01）を支持する。

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 ($\alpha<0.01$).

研究の動機と目的

• 超軽量原始ブラックホール（PBH）がホーキング放射によって蒸発することで引き起こされるレプトゲネシスを介した宇宙の観測されたバリオン非対称性を説明すること。
• 右手スピンニュートリノ質量の生成と関連するゲージ化U(1)対称性の破れが、同時に宇宙ひも形成を引き起こすことを示すこと。
• 宇宙ひもから発生する強力なストキャスティック重力波背景を予測し、パulsarタイムイングアレイとLIGOで検出可能であることを示すこと。
• 原始宇宙におけるブラックホール支配時代に起因する、MHz周波数帯に特徴的な重力波スペクトルの折り返し（スペクトルブレーク）を同定すること。
• 最近のNANOGravのパulsarタイムイングアレイ観測結果を、宇宙ひもの小さなループ（α < 0.01）を支持する形でモデルと一致させること。

提案手法

• 初期宇宙の相転移の残渣として超軽量PBH（≤10^9 g）の形成をモデル化する。
• ホーキング放射を用いて、PBHの蒸発に伴う粒子生成（特に右手スピンニュートリノを含む）を計算する。
• 右手スピンニュートリノ質量の生成と同時に宇宙ひもを生成するゲージ化U(1)対称性の自発的破れを導入する。
• 宇宙ひもループからの重力波放射をシミュレートし、パulsarタイムイングアレイとLIGOで検出可能なストキャスティック背景に焦点を当てる。
• 原始宇宙におけるブラックホール支配時代を分析し、MHz周波数帯近辺の重力波パワースペクトルに特徴的なスペクトルブレークを導出する。
• 予測された重力波信号をNANOGravの観測されたストキャスティック共通プロセスと比較し、ループサイズパラメータαのフィッティングを行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^9 g未塔の超軽量原始ブラックホール（PBH）が、右手スピンニュートリノ生成によるレプトゲネシスを介してバリオゲネシスの有効な源となり得るか？
• RQ2 右手スピンニュートリノ質量の生成に寄与する同一のU(1)ゲージ対称性の破れが、同時に宇宙ひも形成と検出可能なストキャスティック重力波背景を生じるか？
• RQ3 原始宇宙におけるブラックホール支配時代が、MHz周波数帯に特徴的な重力波スペクトルの折り返し（スペクトルブレーク）をもたらすか？
• RQ4 このモデルは、宇宙ひもループからの放射によって、最近のNANOGravのパulsarタイムイングアレイ観測で得られたストキャスティック共通プロセスを説明できるか？
• RQ5 この枠組みにおいて、NANOGravのデータが宇宙ひもループのサイズ（パラメータαで特徴づけられる）に課す制約は何か？

主な発見

• 10^9 g未塔の超軽量PBHは、ホーキング放射によって完全に蒸発し、理論に含まれるすべての粒子（特にレプトゲネシスに不可欠な右手スピンニュートリノを含む）を生成する。
• 右手スピンニュートリノ質量の生成に寄与する同一のU(1)ゲージ対称性の破れが、同時に宇宙ひもネットワークを形成し、パulsarタイムイングアレイとLIGOで検出可能な強力なストキャスティック重力波を発生させる。
• 原始宇宙におけるブラックホール支配時代が、MHz周波数帯近辺の重力波パワースペクトルに特徴的なスペクトルブレークをもたらす。
• スペクトルブレークは、放射支配からブラックホール支配への遷移に起因し、この特徴を観測するには高周波数重力波望遠鏡が不可欠である。
• このモデルは、宇宙ひもループが小さい場合（α < 0.01）にNANOGravのパulsarタイムイングアレイデータとよりよく一致する。
• このメカニズムによるバリオン非対称性は、初期のPBH密度に依存しないため、初期条件の不確実性に対して頑健である。