[論文レビュー] CP Violation and Baryogenesis in the Presence of Black Holes

Tom Banks, Willy Fischler|arXiv (Cornell University)|May 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ブラックホールの事象の地平線付近における量子電磁力学におけるCP対称性の破れを調査し、落下する荷電粒子が$\theta_{\text{QED}}$項を通じて非自明なベリー位相を誘導することを示している。さらに、特に原始的ブラックホールの状況におけるブラックホール崩壊が、宇宙の観測されたバリオン非対称性を生成できるかどうかを検討し、ホログラフィック時空モデルでは妥当なメカニズムが存在するが、$\theta_{\text{QED}}$単体では成立しないことを明らかにした。

ABSTRACT

In a recent paper[1] Kundu and one of the present authors showed that there were transient but observable CP violating effects in the decay of classical currents on the horizon of a black hole, if the Lagrangian of the Maxwell field contained a CP violating angle θ. In this paper we demonstrate that a similar effect can be seen in the quantum mechanics of QED: a non-trivial Berry phase in the QED wave function is produced by in-falling electric charges. We also investigate whether CP violation, of this or any other type, might be used to produce the baryon asymmetry of the universe, in models where primordial black hole decay contributes to the matter content of the present universe. This can happen both in a variety of hybrid inflation models, and in the Holographic Space-time (HST) model of inflation[2].

研究の動機と目的

• ブラックホールの事象の地平線の存在下で、CP対称性を破る$\theta_{\text{QED}}$項が観測可能な量子効果を誘導するかどうかを調査すること。
• 特に原始的ブラックホールの崩壊が、宇宙の観測されたバリオン非対称性を説明できるかどうかを評価すること。
• ホログラフィック時空（HST）モデルやハイブリッドインフレーションのような宇宙論的モデルにおいて、ブラックホール崩壊におけるCP対称性の破れがバリオン生成のメカニズムとして実現可能かどうかを評価すること。
• $\theta_{\text{QED}}$に起因するCP対称性の破れが、観測されたバリオン非対称性を生成するのに十分かどうかを特定すること、もしくはより強い源が必要かどうかを判断すること。

提案手法

• 時間的ゲージを用いて、$\theta_{\text{QED}}$項がQED波関数に与える影響を分析し、チェーン＝シモンズ作用に比例するベリー位相を誘導することを示した。
• 荷電粒子のブラックホールへの落下をモデル化し、場の配置空間における閉じたループを形成することで、非自明な幾何位相を可能にした。
• 膜のパラダイムを適用し、ブラックホールの事象の地平線を有効な電磁的電流を持つ動的な境界として扱った。
• ホログラフィック時空（HST）モデルにおいて、ブラックホールの崩壊がエネルギー密度を支配し、再加熱が発生する条件でバリオン生成を評価した。
• 時間に依存するハーキング温度とその熱的平衡の破壊が、バリオン数の破れと非対称性生成を可能にする役割を果たすことを評価した。
• 結果をハイブリッドインフレーションモデルと比較し、崩壊率とCP対称性を破る行列要素の比を用いてバリオン非対称性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\theta_{\text{QED}}$項が、ブラックホールの事象の地平線付近における量子電磁力学において、観測可能なCP対称性の破れ効果を生じるか。
• RQ2 荷電粒子の落下が、波関数における$\theta_{\text{QED}}$項に起因する測定可能なベリー位相を生成するか。
• RQ3 原始的ブラックホールの集団におけるブラックホールの崩壊が、宇宙の観測されたバリオン非対称性を生成できるか。
• RQ4 $\theta_{\text{QED}}$に起因するCP対称性の破れが、観測されたバリオン非対称性を生成するのに十分か、もしくはより強い源が必要か。
• RQ5 ブラックホール崩壊におけるハーキング温度の時間的変化が、非平衡状態下でどのようにバリオン生成を可能にするか。

主な発見

• $\theta_{\text{QED}}$項は、チェーン＝シモンズ作用を通じて、荷電粒子がブラックホールに落下し配置空間に閉じたループを形成する場合、QED波関数に非自明なベリー位相を誘導する。この効果は観測可能である。
• ホログラフィック時空（HST）モデルにおいて、CP対称性を破る行列要素とCP保存の行列要素の比が1程度であれば、観測されたバリオン非対称性（$10^{-9}$程度）を再現可能である。
• $\theta_{\text{QED}}$に起因するCP対称性の破れは、$\mathcal{O}(\alpha_{\text{em}}/\pi) \sim 10^{-3}$のオーダーであり、観測されたバリオン非対称性を説明するには弱すぎる。
• 原始的ブラックホールを含むモデルでは、時間に依存するハーキング温度が非平衡状態の源となり、崩壊過程におけるCP対称性の破れを通じたバリオン生成を可能にする。
• 磁気モノポールが触媒するバリオン崩壊（原始的モノポールホール経由）は、厳密な天体物理学的制限（$M/M_P > 10^{15}$）により除外され、これは許容できない長寿命をもたらす。
• 微小な電荷を持つ電気的荷電ブラックホールは、電子放出により急速に放電し、CP対称性の破れ効果が抑制される。このため、バリオン生成には効果的でない。