[论文解读] CP Violation and Baryogenesis in the Presence of Black Holes

Tom Banks, Willy Fischler|arXiv (Cornell University)|May 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 8

一句话总结

本文研究了黑洞视界附近量子电动力学中的CP破坏，证明下落的带电粒子通过$θ_{\text{QED}}$项诱导出非平凡的贝里相位。此外，探讨了黑洞衰变——特别是原初黑洞情形——是否能产生宇宙中观测到的重子不对称性，发现在全息时空模型中存在合理机制，但仅靠$θ_{\text{QED}}$本身不足以解释。

ABSTRACT

In a recent paper[1] Kundu and one of the present authors showed that there were transient but observable CP violating effects in the decay of classical currents on the horizon of a black hole, if the Lagrangian of the Maxwell field contained a CP violating angle θ. In this paper we demonstrate that a similar effect can be seen in the quantum mechanics of QED: a non-trivial Berry phase in the QED wave function is produced by in-falling electric charges. We also investigate whether CP violation, of this or any other type, might be used to produce the baryon asymmetry of the universe, in models where primordial black hole decay contributes to the matter content of the present universe. This can happen both in a variety of hybrid inflation models, and in the Holographic Space-time (HST) model of inflation[2].

研究动机与目标

• 研究$θ_{\text{QED}}$项是否在黑洞视界存在时能诱导可观测的量子效应。
• 评估黑洞衰变——尤其是原初黑洞——是否能解释宇宙中观测到的重子不对称性。
• 评估黑洞衰变中的CP破坏在全息时空（HST）和混合暴胀等宇宙学模型中作为重子生成机制的可行性。
• 确定$θ_{\text{QED}}$诱导的CP破坏是否足以生成观测到的重子不对称性，或是否需要更强的源。

提出的方法

• 通过时间规范，分析$θ_{\text{QED}}$项对QED波函数的影响，表明其通过陈-西蒙斯作用量诱导出与之成正比的贝里相位。
• 模拟带电粒子下落进入黑洞，形成场构型空间中的闭合回路，从而产生非平凡的几何相位。
• 应用膜范式，将黑洞视界视为具有有效电磁电流的动力学边界。
• 在全息时空（HST）模型中评估通过黑洞衰变实现的重子生成，该模型中黑洞衰变主导能量密度并发生再加热。
• 考虑时间依赖的霍金温度及其在打破热平衡中的作用，从而实现轻子数破坏和不对称性生成。
• 将结果与混合暴胀模型进行比较，并基于衰变速率和CP破坏矩阵元比值估算重子不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 θ_{\text{QED}}$项是否能在黑洞视界附近的量子电动力学中产生可观测的CP破坏效应？
• RQ2 由于波函数中的$θ_{\text{QED}}$项，带电粒子下落是否会产生可测量的贝里相位？
• RQ3 原初黑洞群体的黑洞衰变是否能产生宇宙中观测到的重子不对称性？
• RQ4 $θ_{\text{QED}}$诱导的CP破坏是否足以生成观测到的重子不对称性，还是需要更强的源？
• RQ5 黑洞衰变中霍金温度的时间演化如何在非平衡条件下实现重子生成？

主要发现

• $θ_{\text{QED}}$项由于陈-西蒙斯项，在QED波函数中诱导出非平凡的贝里相位，当带电粒子下落并形成构型空间中的闭合回路时可被观测到。
• 若CP破坏与CP守恒矩阵元之比约为1，则在全息时空（HST）模型中可重现约$10^{-9}$量级的观测重子不对称性。
• $θ_{\text{QED}}$诱导的CP破坏强度为$\mathcal{O}(\alpha_{\text{em}}/\pi) \sim 10^{-3}$，过弱，不足以解释观测到的重子不对称性。
• 在原初黑洞模型中，时间依赖的霍金温度提供了非平衡源，使通过衰变过程中的CP破坏实现重子生成成为可能。
• 由于严格的天体物理限制，磁单极子催化原初单极黑洞的重子衰变被排除，要求$M/M_P > 10^{15}$，这将导致寿命过长。
• 带小电荷的带电黑洞会因电子发射而迅速放电，抑制其CP破坏效应，使其无法有效参与重子生成。