[论文解读] A common origin for baryons and dark matter

J. García-Bellido, B. J. Carr+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 13

一句话总结

本文提出通过夸克-强子相变期间原初黑洞（PBH）的形成，统一解释重子与暗物质的起源。大尺度非均匀性引发引力坍缩，产生‘原初超新星’激波，驱动电弱sphaleron跃迁，局部生成重子不对称性；由此形成的PBH构成暗物质，自然解释了观测到的重子子光子比和重子与暗物质能量密度相近的现象。

ABSTRACT

The origin of the baryon asymmetry of the Universe (BAU) and the nature of dark matter are two of the most challenging problems in cosmology. We propose a scenario in which the gravitational collapse of large inhomogeneities at the quark-hadron epoch generates both the baryon asymmetry and dark matter in the form of primordial black holes (PBHs). This is due to the sudden drop in radiation pressure during the transition from a quark-gluon plasma to non-relativistic hadrons. The collapse to a PBH is induced by fluctuations of a light spectator scalar field in rare regions and is accompanied by the violent expulsion of surrounding material, which might be regarded as a sort of "primordial supernova" . The acceleration of protons to relativistic speeds provides the ingredients for efficient baryogenesis around the collapsing regions and its subsequent propagation to the rest of the Universe. This scenario naturally explains why the observed BAU is of order the PBH collapse fraction and why the baryons and dark matter have comparable densities. The predicted PBH mass distribution ranges from sub-solar to several hundred solar masses. This is compatible with current observational constraints and could explain the rate, mass and low spin of the black hole mergers detected by LIGO-Virgo. Future observations will soon be able to test this scenario.

研究动机与目标

• 解释宇宙重子不对称性（BAU）和暗物质本质源于同一物理过程。
• 解决宇宙中重子与暗物质能量密度相近的谜题。
• 提供一种机制，将PBH形成与QCD相变期间非平衡条件下的重子生成联系起来。
• 预测与LIGO-Virgo观测结果及当前宇宙学约束相容的PBH质量函数。
• 证明所观测到的微小BAU可自然源于形成PBH的区域稀少性。

提出的方法

• 模拟夸克-强子相变期间大尺度辐射域的引力坍缩，其由强子形成导致辐射压突然下降所触发。
• 利用能量与动量守恒模拟坍缩区域喷射激波，类比于‘原初超新星’。
• 在高温、非平衡的热点区域应用电弱sphaleron跃迁，通过手征异常生成局部重子数。
• 利用坍缩分数 β ≈ η ∼ 10−9（当PBH构成全部暗物质时），γ 为坍缩效率，推导PBH质量函数。
• 估算引力势能坍缩释放的能量：ΔK ≈ (1/γ − 1)MH，可实现相对论性粒子加速。
• 引入一个惰性标量场以生成曲率涨落，坍缩概率对临界曲率 ζc 呈指数敏感。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙重子不对称性是否可源于PBH形成期间的局域剧烈过程？
• RQ2 为何宇宙中重子与暗物质具有相近的能量密度？
• RQ3 所观测到的微小重子子光子比 η ∼ 10−9 是否可由形成PBH的区域稀少性解释？
• RQ4 夸克-强子相变是否提供了PBH形成与重子生成的充分条件？
• RQ5 所预测的PBH质量函数是否与LIGO-Virgo对黑洞并合的观测结果一致？

主要发现

• 重子不对称性源于PBH形成产生的热点中电弱sphaleron跃迁，标准模型中的CP破坏已足够产生局部重子子光子比 ≥1。
• 观测到的全局重子子光子比 η ≈ 6 × 10−10 源于局部生成的不对称性被以光速传播的相对论性重子稀释。
• 当PBH构成全部暗物质时，坍缩成PBH的哈勃域比例为 β ≈ 10−9，与观测到的BAU一致。
• 所预测的PBH质量函数在太阳质量附近达到峰值，范围从亚太阳质量至数百倍太阳质量，与当前观测约束一致。
• 该场景通过QCD时期共同起源，解释了LIGO-Virgo观测到的黑洞双星并合率、质量及低自旋特性。
• 未来LIGO-Virgo对PBH质量函数的观测数据将可直接检验该模型的预测。