[论文解读] Baryogenesis from ultralight primordial black holes and strong gravitational waves

Satyabrata Datta, Ambar Ghosal+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种由质量低于10^9 g的原初黑洞（PBHs）驱动的重子生成机制，这些黑洞通过霍金辐射蒸发，产生右手中微子并触发轻子生成。导致U(1)规范对称性自发破缺的相同机制，不仅赋予右手中微子质量，还形成宇宙弦网络，产生可由脉冲星计时阵列和LIGO探测到的强随机引力波信号；由于早期宇宙中黑洞主导，导致在MHz频段出现光谱转折，需高频引力波探测器才能完整观测，NANOGrav的数据倾向于支持小尺度宇宙弦环（α < 0.01）。

ABSTRACT

Ultralight primordial black holes (PBHs)($\lesssim10^9$g) completely evaporate via Hawking radiation (HR) and produce all the particles in a given theory regardless of their other interactions. If the right handed (RH) neutrinos are produced from PBH evaporation, successful baryogenesis via leptogenesis predicts mass scales of RH neutrinos and black holes. We show that, given the lepton number violation (generation of RH masses) in the theory is a consequence of a gauged $U(1)$ breaking which is then followed by the formation of PBHs, a network of cosmic string naturally gives rise to strong stochastic gravitational wave (GW) signal, for example, at the level of pulsar timing arrays (PTA) and LIGO. Apart from that, due to a period of black hole domination in the early universe, for which baryon asymmetry is independent of initial PBH density, a break in the GW spectra occurs around MHz frequency. Therefore, to observe the break along with the usual GW signal by the emission of gravitons via HR, one needs GW detectors at higher frequencies. Within the PBH baryogenesis scenario, the recent finding by the NANOGrav PTA of a stochastic common spectrum process (interpreted as GWs) across many pulsars is better fitted with string loops of smaller size ($\alpha<0.01$).

研究动机与目标

• 通过原初黑洞（PBHs）在霍金辐射下蒸发引发的重子生成机制，解释宇宙中观测到的重子不对称性。
• 将右手中微子质量的生成与一个规范U(1)对称性破缺联系起来，该破缺同时导致宇宙弦的形成。
• 预测由宇宙弦产生的强随机引力波背景，可通过脉冲星计时阵列和LIGO探测。
• 识别出由于早期宇宙中黑洞主导，引力波谱在MHz频段出现的显著光谱转折。
• 通过支持小尺度宇宙弦环（α < 0.01），将近期NANOGrav脉冲星计时阵列结果与该模型相协调。

提出的方法

• 将质量≤10^9 g的超轻原初黑洞建模为早期宇宙相变的遗迹。
• 利用霍金辐射计算粒子产生，包括原初黑洞蒸发过程中产生的右手中微子。
• 引入一个规范U(1)对称性，其自发破缺既生成右手中微子质量，也同时产生宇宙弦。
• 模拟宇宙弦环的引力波辐射，重点研究可由脉冲星计时阵列和LIGO探测到的随机背景。
• 分析早期宇宙中黑洞主导的时期，推导出在MHz频段附近的引力波功率谱中出现的光谱转折。
• 将预测的引力波信号与NANOGrav观测到的随机共同过程进行比较，拟合弦环大小参数α。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量低于10^9 g的超轻原初黑洞（PBHs）是否可作为通过右手中微子产生触发轻子生成的可行重子生成源？
• RQ2 导致右手中微子质量生成的同一U(1)规范对称性破缺是否也导致宇宙弦形成并产生可探测的随机引力波背景？
• RQ3 早期宇宙中的黑洞主导时期是否在引力波谱的MHz频段留下光谱转折特征？
• RQ4 该模型能否通过宇宙弦环辐射解释近期NANOGrav脉冲星计时阵列观测到的随机共同过程？
• RQ5 NANOGrav数据在该框架下对宇宙弦环尺寸（以参数α表征）施加了何种约束？

主要发现

• 质量低于10^9 g的超轻原初黑洞通过霍金辐射完全蒸发，产生理论中所有粒子，包括轻子生成所必需的右手中微子。
• 生成右手中微子质量的同一U(1)规范对称性破缺，也产生宇宙弦网络，后者发射可由脉冲星计时阵列和LIGO探测到的强随机引力波。
• 早期宇宙中黑洞主导时期导致引力波功率谱在MHz频段附近出现显著光谱转折。
• 该光谱转折源于辐射主导向黑洞主导的过渡，使高频引力波探测器成为观测该特征的必要条件。
• 当宇宙弦环较小时，该模型对NANOGrav脉冲星计时阵列数据的拟合效果更优，环尺寸参数被约束为α < 0.01。
• 通过该机制生成的重子不对称性与初始PBH密度无关，使该场景对初始条件不确定性具有鲁棒性。