[论文解读] Antimatter regions in the baryon-dominated Universe

Maxim Khlopov, Sergei G. Rubin+1 more|ArXiv.org|Oct 1, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，在暴胀期间，重子带电标量场的量子涨落可在全局重子主导的宇宙中产生孤立的反物质区域。若这些区域大于8h² kpc，则可幸免于湮灭，进而演化为反星团；其关键观测特征是可被AMS–02实验探测到的$\overline{^4\text{He}}$和$\overline{^3\text{He}}$核通量。

ABSTRACT

Quantum fluctuations of a complex, baryonic charged scalar field caused by inflation can generate large domains, which convert later into antimatter regions. As a result the Universe can become globally matter-dominated, with minor contribution of antimatter regions. The distribution and evolution of such antimatter regions could cause every galaxy to be a harbour of an anti-star globular cluster. At the same time, the scenario does not lead to large-scale isocuvature perturbations, which would disturb observable CMB anisotropy. The existence of one of such antistar globular cluster in our Galaxy does not contradict the observed $γ$-ray background, but the expected fluxes of $\bar{ m ^4He}$ and $\bar{ m ^3He}$ from such an antimatter object are definitely accessible to the sensitivity of the coming AMS--02 experiment.

研究动机与目标

• 在不引入大尺度等曲率扰动的前提下，解释全球物质-反物质不对称性。
• 探索通过暴胀期间的自发重子生成机制形成反物质区域的可能性。
• 评估反星团作为此类反物质区域的天体物理遗迹的可行性。
• 识别宇宙射线反核子通量中反物质区域的可观测特征。

提出的方法

• 通过伪Nambu–Goldstone势$V(\theta) = \Lambda^4(1 - \cos\theta)$对重子带电标量场$\chi$进行建模。
• 利用标量场的相位$\theta$通过非平衡衰变$\mathcal{L} = g\chi\bar{Q}L + \text{h.c.}$生成重子/反重子不对称性。
• 模拟暴胀期间de Sitter空间中量子涨落的演化，有效色散为$\delta\theta_{\text{eff}} = H_{\text{infl}}/(2\pi f_{\text{eff}})$。
• 计算临界存活尺度$L_c = 8h^2$ kpc，以确定哪些反物质区域可避免湮灭。
• 评估高密度反物质前身体在引力坍缩下演化为反星团的可能性。
• 估算此类星团产生的宇宙射线$\overline{^4\text{He}}$和$\overline{^3\text{He}}$通量，并与AMS–02的灵敏度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀期间重子标量场的量子涨落是否可在物质主导的宇宙中产生孤立的反物质区域？
• RQ2 若此类反物质区域超过$8h^2$ kpc的临界尺度，是否可幸免于湮灭？
• RQ3 高密度反物质区域是否可演化为反星团？
• RQ4 由此产生的反核子通量是否可被当前或未来的空间实验（如AMS–02）探测到？
• RQ5 该场景是否与观测到的CMB各向异性和弥漫伽马射线背景一致？

主要发现

• 物理尺寸超过$L_c = 8h^2$ kpc的反物质区域可幸免于与周围物质的湮灭，从而形成持久存在的反物质区域。
• 该模型生成的反物质区域体积分数小于宇宙总体积的$10^{-4}$，从而保持了全局重子主导特性。
• 有效相位色散$\delta\theta_{\text{eff}} = H_{\text{infl}}/(2\pi f_{\text{eff}})$在暴胀期间增长，并在第$N_c$个e-fold时达到峰值，从而产生临界尺度的前身体。
• 银河系中的反星团质量可能在$10^3M_\odot$至$10^5M_\odot$之间，与伽马射线背景约束一致。
• 此类星团预期产生的$\overline{^4\text{He}}$和$\overline{^3\text{He}}$通量处于AMS–02实验的灵敏度范围内。
• 该场景避免了会破坏CMB各向异性的大尺度等曲率扰动，因为大尺度上的相位色散被限制在$\delta\theta \leq 10^{-3}$以内。