[논문 리뷰] Electroweak/GUT Domain Wall by Hawking Radiation: Baryogenesis and Dark Matter from Several Hundred kg Black Holes

Yukinori Nagatani|ArXiv.org|2001. 12. 07.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수백킬로그램 정도의 초기 블랙홀이 호킹 복사에 의해 전기약력 및 GUT 스케일의 도메인 월을 생성하며, CP 위반 위상에 의해 비대칭성 생성을 가능하게 하고, 냉각된 어둠성 물질을 구성할 수 있는 전하를 띤 블랙홀 잔여물, 즉 '블랙 원자'를 만들어내는 모델을 제안한다. 이 모델은 120–280 eV에서 피크를 이룬 우주적 글루온 배경을 예측하며, 블랙홀 잔여물이 플랑크 스케일에서 기인하는 비대칭성과 어둠성 물질의 통합 기원을 제공한다.

ABSTRACT

A spherical domain wall around a small black hole is formed by the Hawking radiation from the black hole in the symmetry-broken-phase of the field theory, e.g., the Standard Model (SM) and the Grand Unified Theory (GUT) which have a property of the phase transition. We have obtained two types of the spherical domain wall; (a) thermalized wall which is formed by the local heating up near black hole and symmetry restore locally and (b) dynamical wall which is formed by the balance between the pressure from the Hawking radiation and the pressure from the wall tensions. The electroweak wall is formed as a thermalized wall around a black hole with mass of the several hundred kilogram. The GUT wall is formed as a dynamical wall around much smaller black hole. The electroweak wall around a black hole can produce baryon number by the assumption of the CP-broken phase in the wall. The GUT wall can supply charge into the black hole, namely, the wall causes the spontaneous charging up of the black hole. We propose a cosmological model which can explain the origin of the baryon number and the cold dark matter by the primordial black hole with mass of the several hundred kilogram.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서 비대칭성과 냉각된 어둠성 물질의 기원을 초기 블랙홀을 통해 설명하기.
• 대칭성이 깨진 상태에서 호킹 복사로 인해 작은 블랙홀 주위에 도메인 월이 형성되는 원리를 조사하기.
• 특히 냉각된 어둠성 물질 후보로 고려할 수 있는 전하를 띤 블랙홀 잔여물의 천체역학적 영향을 탐색하기.
• GUT 스케일의 상전이 맥락에서 비열적화된 도메인 월의 안정성과 동역학을 분석하기.
• 증발한 초기 블랙홀로부터 기인하는 우주적 글루온 배경을 예측하기.

제안 방법

• 표준모형 내 국소적 열평형과 에너지 전달 분석을 통해 호킹 복사에 의한 국소적 가열에 의해 열평형 전기약력 도메인 월을 모델링하기.
• 호킹 복사 압력(1/r² 비례)과 도메인 월의 표면장력 압력(-1/r 비례)을 균형 잡는 조건을 유도하여 정적 도메인 월 형성 조건 유도하기.
• 입자 반사가 외부 방향의 압력을 가하는 비열적화된 GUT 스케일 도메인 월에 대해 동역학적 안정성 분석 적용하기.
• 하이즈 필드 프로파일과 온도 분포 T(r)를 사용하여 ⟨ϕ(r)⟩ = ⟨ϕ⟩_T(r)를 통해 도메인 월의 구조 정의하기. 국소적 열평형을 가정함.
• 호킹 복사에서 유래한 전하 이동을 통해 블랙홀 잔여물의 자발적 전하 부여를 분석하기. CKN 메커니즘과 유사하게.
• 점입자 근사와 양성자-전자 유사 붕괴 모델을 사용하여 음전하 블랙홀 잔여물이 수소 원자와 유사한 '블랙 원자'를 형성할 경우의 수명과 안정성 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작은 블랙홀에서의 호킹 복사가 전기약력 및 GUT 상에서 안정된 도메인 월 형성에 기여할 수 있는가?
• RQ2 도메인 월 영역 내에서의 CP 위반은 비대칭성 생성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 플랑크 스케일 질량을 가진 증발한 초기 블랙홀 잔여물이 냉각된 어둠성 물질을 설명할 수 있는가?
• RQ4 극한 전하를 띤 블랙홀 잔여물의 천체역학적 운명은 무엇이며, '블랙 원자'처럼 안정된 결합 상태를 형성할 수 있는가?
• RQ5 증발한 초기 블랙홀로부터 기인하는 우주적 글루온 배경의 에너지 스펙트럼과 에너지 밀도는 예측되는가?

주요 결과

• 70 kg에서 400 kg 사이의 질량을 가진 블랙홀 주위에서 호킹 복사에 의한 국소적 가열로 인해 열평형 전기약력 도메인 월이 형성된다.
• 호킹 온도가 GUT 스케일을 초과할 경우 비열적화된 동역학적 GUT 스케일 도메인 월이 형성되며, 복사압력과 표면장력의 압력 균형에 의해 안정된다.
• 도메인 월 내에서의 CP 위반 위상에 의해 비대칭성 생성이 가능해지며, 관측된 비대칭성의 기원을 제공하는 메커니즘이 된다.
• 전하를 띤 블랙홀 잔여물은 양성자를 포획하여 '블랙 원자'를 형성할 수 있으며, 이들의 이온화 에너지는 수소 원자의 약 2000배이며, |Z_rem| ≤ 7일 경우 수명이 10 Gyears를 초과한다.
• 우주적 글루온 배경의 에너지 밀도는 CMB의 약 1/82이며, 120–280 eV에서 피크를 이룬다. 이는 플랑크 스펙트럼과 다름.
• 이 모델은 재가열 온도 >10¹² GeV를 요구하며, 블랙홀 지배성이 좁은 매개변수 영역에서 관측 제약 조건과 일치한다.