[论文解读] On the origin of the matter-antimatter asymmetry in self-gravitating systems at ultra-high temperatures

Michael Petri|ArXiv.org|May 2, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的重子生成机制，其中在极高温度下，自引力系统中由于无量纲参数 $κ = ST/E$ 的作用，产生了热力学诱导的物质-反物质不对称性。当 $κ = 1$ 时，爱因斯坦方程的全息解自然地产生非零化学势，从而导致显著的不对称性——预测的重子子-光子比为 $\eta \approx 18 \times 10^{-10}$，接近观测值 $6.5 \times 10^{-10}$，且无需依赖CP破坏或热非平衡条件。

ABSTRACT

It is shown, that self-gravitating systems can be classified by a dimensionless constant positive number $κ= S T / E$, which can be determined from the (global) values for the entropy, temperature and (total) energy. The Kerr-Newman black hole family is characterized by $κ$ in the range $0-1/2$, depending on the dimensionless ratios of angular momentum and charge squared to the horizon area, $J/A$ and $Q^2/A$. By analyzing the most general case of an ultra-relativistic ideal gas with non-zero chemical potential it is shown, that $κ$ is an important parameter which determines the (local) thermodynamic properties of an ultra-relativistic gas. $κ$ only depends on the chemical potential per temperature $u = μ/ T$ and on the ratio of bosonic to fermionic degrees of freedom $r_F = f_B / f_F$. A gas with zero chemical potential has $κ= 4/3$. Whenever $κ< 4/3$ the gas must acquire a non-zero chemical potential. This non-zero chemical potential induces a natural matter-antimatter asymmetry, whenever microscopic statistical thermodynamics can be applied. The recently discovered holographic solution describes a compact self gravitating black hole type object with an interior, well defined matter state. One can associate a local - possibly observer-dependent - value of $κ$ to the interior matter, which lies in the range $2/3-1$ (for the uncharged case). This finding is used to construct an alternative scenario of baryogenesis in the context of the holographic solution, based on quasi-equilibrium thermodynamics.

研究动机与目标

• 在不依赖CP破坏或热非平衡的条件下，解释观测到的物质-反物质不对称性的起源。
• 研究热力学参数 $\kappa = ST/E$ 是否能在极端相对论性气体中自然诱导非零化学势。
• 探讨全息解——一种非FLRW的宇宙学模型——在重子生成和核合成中的影响。
• 基于高温高密度自引力系统中的热力学平衡，推导重子子-光子比 $\eta$ 的预测值。
• 评估全息模型是否能在不依赖标准模型中关于初始不对称性假设的前提下，重现观测到的原始核素丰度。

提出的方法

• 定义无量纲热力学参数 $\kappa = ST/E$，其中 $S$、$T$ 和 $E$ 分别为全局熵、温度和能量。
• 分析具有非零化学势的极端相对论性理想气体，表明当 $\kappa < 4/3$ 时，化学势 $\mu$ 非零。
• 推导化学势 $u = \mu/T$ 作为 $\kappa$ 和费米子与玻色子自由度比 $r_F = f_B/f_F$ 的函数。
• 将全息解应用于一个紧凑、无奇点、充满物质的自引力区域，且 $\kappa = 1$，该解支持稳定且高密度的状态。
• 使用准平衡热力学方法模拟电子-正电子湮灭过程，并追踪冷却过程中粒子数密度和能量密度的演化。
• 通过假设膨胀过程中能量密度和熵密度守恒（而非粒子数密度守恒），预测最终的重子子-光子比 $\eta$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无CP破坏的条件下，自引力系统在极高温度下是否能通过热力学机制产生物质-反物质不对称性？
• RQ2 参数 $\kappa = ST/E$ 在决定化学势及由此产生的粒子-反粒子不对称性中起什么作用？
• RQ3 当 $\kappa = 1$ 时，爱因斯坦方程的全息解是否能为解释观测到的重子子-光子比提供FRW模型的可行替代方案？
• RQ4 与标准模型相比，全息模型中电子-正电子湮灭过程的能量密度和粒子数密度演化有何不同？
• RQ5 在更高的哈勃速率和更高的重子密度条件下，全息宇宙中的核合成是否仍能产生与观测一致的原始核素丰度？

主要发现

• 参数 $\kappa = ST/E$ 决定单位温度下的化学势 $u = \mu/T$；当 $\kappa < 4/3$ 时，$u$ 变为非零，从而诱导出自然的物质-反物质不对称性。
• 当 $\kappa = 1$ 时，全息解预测在电子质量阈值处，每约14个电子对应1个正电子，即存在显著的物质-反物质不对称性。
• 电子-正电子湮灭后，预测的重子子-光子比为 $\eta \approx 18 \times 10^{-10}$，接近观测值 $6.5 \times 10^{-10}$。
• 在全息模型中，电子相对于光子的粒子数密度随温度线性下降，这是由于能量密度和熵密度守恒所致，而非粒子数守恒。
• 不对称性在高温下已非常显著，因此在质量阈值处的湮灭过程平稳进行，反粒子湮灭比例不足8%，无需极小的初始不对称性。
• 该模型表明，由于更高的膨胀速率与更高的重子密度之间存在补偿效应，全息宇宙中的核合成仍可能产生一致的结果。