[论文解读] Baryogenesis through baryon capture by black holes

A. D. Dolgov, N. A. Pozdnyakov|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种通过原初黑洞（PBHs）选择性捕获重子与反重子实现宇宙学重子生成的新机制，该机制在热平衡下运行，无需重子数破坏。不对称性源于CP-和C-破坏相互作用，导致X与X̄粒子的散射截面不同，从而优先捕获反重子，生成与CP破坏引起的截面分裂成正比的净重子不对称性。

ABSTRACT

A novel mechanism of cosmological baryogenesis through baryon capture by primordial black holes is suggested. In contrast to the conventional scenarios it does not demand non-conservation of baryonic number in particle physics and can proceed in thermal equilibrium. For implementation of this mechanism a heavy superweakly interacting particle a with non-zero baryon number is necessary.

研究动机与目标

• 提出一种不依赖重子数不守恒的新型宇宙学重子生成机制。
• 探讨原初黑洞（PBHs）如何通过重子与反重子的差异捕获生成重子不对称性。
• 研究重子生成是否可在热平衡下发生，与标准萨哈罗夫条件相反。
• 确定该机制运行所必需的粒子物理条件——特别是CP-和C-破坏相互作用，且截面非 degenerate。

提出的方法

• 建立PBH附近X与X̄粒子的运动方程，包括引力、电磁力和散射力。
• 利用包含动量传递和散射截面的流体速度方程，推导X与X̄粒子的捕获速度差异。
• 通过一阶辐射修正估算CP破坏引起的截面分裂，其差值与α成正比。
• 采用一种受超对称启发的模型，其中重H粒子介导X + q → H + 2q̄过程，实现截面的非对称性。
• 分析X与X̄散射的总截面，表明当末态排除初始粒子时，差异才会出现。
• 证明不对称性随哈勃膨胀率降低而增大，有利于较慢膨胀（更大的普朗克质量）。

实验结果

研究问题

• RQ1 重子生成是否可在不破坏重子数且处于热平衡下发生？
• RQ2 PBHs在何种条件下会优先捕获反重子而非重子？
• RQ3 在此背景下，CP与C破坏如何导致粒子与反粒子具有不同的散射截面？
• RQ4 辐射修正在生成截面所需不对称性中起什么作用？
• RQ5 为何该模型中重子不对称性随更大普朗克质量而增强？

主要发现

• 该机制在热平衡下生成重子不对称性，绕过了标准理论对偏离热平衡的要求。
• 不对称性源于X与X̄粒子散射截面中微小的CP-和C-破坏分裂，估算为δ ∝ α。
• 截面差异由涉及虚Y-粒子的一阶圈修正驱动，导致X与X̄在电浆中具有不同的迁移率。
• 不对称性与散射振幅中的CP破坏参数成正比，并随哈勃膨胀率降低而增大。
• 该模型预测，更大的普朗克质量（更慢的膨胀）会增强重子不对称性，与标准重子生成相反。
• 通过虚黑洞形成导致的质子衰变被抑制，寿命τ_p ∼ 10^45年，确保了质子稳定性。