[论文解读] Electroweak/GUT Domain Wall by Hawking Radiation: Baryogenesis and Dark Matter from Several Hundred kg Black Holes

Yukinori Nagatani|ArXiv.org|Dec 7, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出，质量约为数百公斤的原初黑洞通过霍金辐射产生电弱和大统一理论（GUT）尺度的域壁，从而通过CP破坏相实现重子数生成，并产生带电的黑洞残余，这些残余可能作为‘黑洞原子’构成冷暗物质。该模型预测宇宙引力子背景在120–280 eV处出现峰值，并统一解释了来自普朗克尺度残余物的重子数与暗物质起源。

ABSTRACT

A spherical domain wall around a small black hole is formed by the Hawking radiation from the black hole in the symmetry-broken-phase of the field theory, e.g., the Standard Model (SM) and the Grand Unified Theory (GUT) which have a property of the phase transition. We have obtained two types of the spherical domain wall; (a) thermalized wall which is formed by the local heating up near black hole and symmetry restore locally and (b) dynamical wall which is formed by the balance between the pressure from the Hawking radiation and the pressure from the wall tensions. The electroweak wall is formed as a thermalized wall around a black hole with mass of the several hundred kilogram. The GUT wall is formed as a dynamical wall around much smaller black hole. The electroweak wall around a black hole can produce baryon number by the assumption of the CP-broken phase in the wall. The GUT wall can supply charge into the black hole, namely, the wall causes the spontaneous charging up of the black hole. We propose a cosmological model which can explain the origin of the baryon number and the cold dark matter by the primordial black hole with mass of the several hundred kilogram.

研究动机与目标

• 利用原初黑洞解释早期宇宙中重子数与冷暗物质的起源。
• 研究对称性破缺相中霍金辐射导致小黑洞周围形成域壁的机制。
• 探讨带电黑洞残余物的宇宙学影响，特别是其作为冷暗物质候选者的可能性。
• 分析在大统一理论尺度相变背景下非热化域壁的稳定性和动力学行为。
• 预测蒸发后的原初黑洞产生的宇宙引力子背景。

提出的方法

• 通过标准模型中局部热平衡与能量传递分析，模拟霍金辐射引起的局部加热所形成的热化电弱域壁。
• 通过平衡霍金辐射压强（与1/r²成正比）与壁张力压强（与-1/r成正比）推导出静态域壁形成的条件。
• 对非热化的大统一理论尺度域壁实施动力稳定性分析，其中粒子反射产生向外压力。
• 利用希格斯场分布与温度分布T(r)，通过⟨ϕ(r)⟩ = ⟨ϕ⟩_T(r) 定义域壁结构，假设局部热平衡。
• 通过类比CKN机制，分析黑洞残余物通过霍金辐射实现自发带电的过程。
• 利用点粒子近似与类正电子素衰变模型，评估由带负电残余物捕获质子形成的‘黑洞原子’的寿命与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 小质量黑洞的霍金辐射是否能在电弱与大统一理论相中诱导形成稳定的域壁？
• RQ2 域壁区域中的CP破坏如何导致重子数生成？
• RQ3 蒸发后具有普朗克尺度质量的黑洞残余是否可解释为冷暗物质？
• RQ4 极端带电黑洞残余物的宇宙命运如何？它们能否形成类似‘黑洞原子’的稳定束缚态？
• RQ5 蒸发后的原初黑洞产生的宇宙引力子背景的能量谱与能量密度如何？

主要发现

• 质量在70 kg至400 kg之间的黑洞周围会因霍金辐射引起的局部加热而形成热化电弱域壁。
• 当霍金温度超过大统一理论尺度时，会形成动力学的、非热化的GUT尺度域壁，其稳定性由压力平衡维持。
• 该模型通过域壁区域中的CP破坏相实现了重子数生成，为观测到的重子不对称性提供了机制。
• 带电黑洞残余物可通过捕获质子形成‘黑洞原子’，其电离能约为氢的2000倍，且当|Z_rem| ≤ 7时，寿命超过10 G年。
• 宇宙引力子背景的能量密度约为宇宙微波背景的1/82，峰值位于120–280 eV，与普朗克谱不同。
• 该模型要求再加热温度 >10¹² GeV，且仅在黑洞主导的狭窄参数区域内与观测约束一致。