[论文解读] Cosmological Matter-Antimatter Asymmetry and Antimatter in the Universe

A. D. Dolgov|ArXiv.org|Nov 17, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用 9

一句话总结

本文综述了可能在早期宇宙中产生物质-反物质不对称性的重子生成模型，重点关注可能允许存在宇宙学意义的反物质区域的机制。文章分析了宇宙射线反物质、伽马射线背景以及宇宙微波背景各向异性的观测约束，得出结论：在标准假设下，反物质区域大于约10 Mpc被排除，尽管具有非均匀不对称性或非绝热扰动的模型可能允许更宽松的限制。

ABSTRACT

Models of baryogenesis which may lead to astronomically significant amount of antimatter in the universe are reviewed. Observational features are briefly discussed.

研究动机与目标

• 考察可能在早期宇宙中产生物质-反物质不对称性的重子生成理论模型。
• 评估大尺度反物质区域（如反星系或反物质云）存在的观测约束。
• 评估重子不对称性对宇宙学的影响，包括CPT对称性、重子数不守恒以及CP破坏的作用。
• 研究反物质是否可能以重的反核子或原初黑洞的形式存在，可能通过宇宙射线观测探测到。
• 探讨替代的宇宙学情景（如等曲率扰动或自发重子生成）是否可能放松对反物质区域的现有限制。

提出的方法

• 分析从大爆炸核合成和CMBR各向异性数据推导出的重子不对称性参数 β = (NB - N_B̄)/Nγ ≈ 6×10⁻¹⁰。
• 应用CDRG（Cohen, De Rujula, Glashow）约束，该约束在具有绝热扰动的重子对称宇宙中设定 lB > ~1 Gpc。
• 评估物质-反物质在区域边界处湮灭的作用，表明高能产物会增强而非抑制湮灭。
• 考虑非绝热（等曲率）密度扰动的影响，这些扰动可能通过允许压强差异抑制湮灭，从而降低CDRG约束。
• 考察在宇宙射线中探测反核子（如⁴Hē、¹²C̄、¹⁶Ō）作为原初反物质天体的信号的可能性。
• 评估湮灭对CMBR能量谱的影响，特别是如果湮灭发生在再组合之前。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不违反宇宙射线和伽马射线数据观测约束的前提下，大尺度反物质区域（如反星系）能否存在？
• RQ2 在未检测到可探测湮灭信号的前提下，物质-反物质区域边界的最大尺寸是多少？
• RQ3 非绝热（等曲率）密度扰动如何影响CDRG对反物质区域尺寸的约束？
• RQ4 像Affleck-Dine或自发重子生成这样的模型能否自然产生可观测的反物质特征，如重的反核子？
• RQ5 观测到的重子不对称性（β ≈ 6×10⁻¹⁰）在多大程度上可由同时允许宇宙学意义反物质存在的重子生成机制解释？

主要发现

• CDRG约束在具有绝热扰动的重子对称宇宙中，将物质-反物质区域的尺寸限制为 lB > ~1 Gpc。
• 100 MeV伽马射线背景的观测限制表明，最近的反星系必须至少距离10 Mpc。
• 在区域边界处的湮灭会增强而非抑制物质-反物质接触，这是由于长平均自由程的高能产物可传递压强。
• 等曲率扰动可能通过允许压强差异抑制湮灭，显著削弱CDRG约束。
• 宇宙射线中未检测到反核子（甚至反氘）的事实支持了宇宙学意义反物质不存在的结论。
• 具有标量场与暴胀子耦合的Affleck-Dine型模型可产生高β（正或负）的局域区域，可能形成富含反核子的原初黑洞，这些黑洞可能通过宇宙射线中的反核子被探测到。