[논문 리뷰] Primordial black holes, dark matter and hot-spot electroweak baryogenesis at the quark-hadron epoch

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

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션 기간 동안의 빛의 스튜디어틱 스펙터 필드—예를 들어 QCD 아키온—의 양자적 변동이 복사 우주론기 동안 큰 곡률 변동을 생성하며, 이는 쿼크-하드론 전이 시점에 원시 블랙홀(PBH) 형성을 유도하고, 찬드라세카르 질량 근처에서 질량 함수가 최대가 되게 한다. 이러한 PBH들은 어두운 물질을 자연스럽게 설명하며, 새로운 핫스팟 전기약 대칭 깨짐 메커니즘을 가능하게 하여, 양성자-광자 비율과 양성자 및 어두운 물질 밀도의 공진성을 설명한다. 또한 강한 CP 문제를 해결한다.

ABSTRACT

We propose a scenario in which the quantum fluctuations of a light stochastic spectator field during inflation, for instance the QCD axion, generate large curvature fluctuations in the radiation era. This inevitably leads to the existence of Hubble patches in which primordial black holes (PBHs) form at the quark-hadron epoch with a density comparable to the dark matter. The PBHs naturally have an extended mass function, with a density peaking at the Chandrasekhar mass, and extending to the mass required to explain the black hole coalescences observed by LIGO/Virgo, without violating current astrophysical constraints. At the quark-hadron epoch, the entropy production and temperature increase in PBH-forming regions provide the ingredients for a novel scenario of hot spot electroweak baryogenesis. Baryons are produced very efficiently around these collapsing pockets and then quickly diffuse to the entire Universe. This explains why the PBH collapse fraction at the QCD epoch is of order the observed baryon-to-photon ratio and why baryons and dark matter have comparable densities. If the stochastic spectator field is the QCD axion, this also explains the strong CP problem. Parameter fine-tunings are replaced by a single anthropic selection argument involving the stochasticity of the spectator field during inflation and the requirement that galaxies can form. Finally, we identify several observational predictions of our scenario that should be testable within the next few years.

연구 동기 및 목표

• 관측된 어두운 물질과 양성자 물질 밀도의 공진성을 설명하기 위해.
• 쿼크-하드론 전이 시점에서 PBH 형성을 통해 전기약 대칭 깨짐의 메커니즘을 제공하기 위해.
• 스튜디어틱 스펙터 필드를 QCD 아키온으로 식별함으로써 강한 CP 문제를 해결하기 위해.
• LIGO/Virgo에서 관측된 PBH 질량 함수를 포함하여 천체물리학적 제약을 위반하지 않으면서 관측된 PBH 질량 함수를 설명하기 위해.
• 정밀 조정을 인플레이션 변동과 은하 형성에 기반한 인류 중심적 선택 원칙으로 대체하기 위해.

제안 방법

• 인플레이션 기간 동안의 스튜디어틱 스펙터 필드를 복사 우주론기의 곡률 변동의 원천으로 모델링하기 위해.
• 유도된 대규모 곡률 변동을 사용하여 쿼크-하드론 전이 시점에서 PBH 형성이 일어나는 허블 패치를 식별하기 위해.
• PBH 질량 함수를 계산하여 찬드라세카르 질량 근처에서 최대가 되고, LIGO/Virgo에서 관측된 질량까지 연장된 尾를 가지며, 이를 확인하기 위해.
• PBH 형성 영역에서의 엔트로피 생성과 온도 상승을 분석하여 핫스팟 전기약 대칭 깨짐을 가능하게 하기 위해.
• PBH 틈새에서 생성된 양성자가 전체 우주로 빠르게 확산되어 양성자-광자 비율의 균일성을 확보하기 위해.
• 스튜디어틱 스펙터 필드를 QCD 아키온으로 식별하여 PBH 형성과 강한 CP 문제 해결을 연결하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 기간 동안의 빛의 스튜디어틱 스펙터 필드의 양자적 변동이 쿼크-하드론 전이 시점에서 PBH 형성을 유도할 만큼 충분한 곡률 변동을 생성할 수 있는가?
• RQ2 유도된 PBH 질량 함수가 관측된 어두운 물질 밀도를 자연스럽게 재현하고, LIGO/Virgo의 블랙홀 병합 질량과 일치하는가?
• RQ3 쿼크-하드론 전이 시점에서의 PBH 형성이 국소적 핫스팟에서 효율적인 전기약 대칭 깨짐을 가능하게 하는 조건을 제공하는가?
• RQ4 왜 양성자-광자 비율이 QCD 시점에서 형성된 PBH 비율과 약간 같게 되는가?
• RQ5 스튜디어틱 스펙터 필드를 QCD 아키온으로 식별함으로써 이 틀 안에서 강한 CP 문제를 어떻게 해결할 수 있는가?

주요 결과

• PBH 질량 함수는 찬드라세카르 질량에서 최대가 되며, LIGO/Virgo 관측 결과와 일치하는 질량까지 연장되며, 현재의 천체물리학적 제약을 위반하지 않는다.
• 쿼크-하드론 전이 시점에서 우주가 PBH로 붕괴하는 비율은 관측된 양성자-광자 비율과 자연스럽게 일치한다.
• PBH 형성 영역에서 생성된 양성자는 빠르게 전체 우주로 확산되어, 양성자-광자 비율의 전 우주적 균일성을 보장한다.
• 이 장면은 인플레이션 변동에 뿌리를 두고 단일 물리적 메커니즘으로서 양성자와 어두운 물질 밀도의 공진성을 설명한다.
• 스튜디어틱 스펙터 필드를 QCD 아키온으로 식별함으로써 강한 CP 문제에 대한 역학적 해결책을 제공한다.
• 이 모델은 향후 몇 년 내에 확인되거나 배제될 수 있는 검증 가능한 예측을 한다.