[论文解读] Primordial Black Hole Baryogenesis

Daniel Baumann, Paul J. Steinhardt+1 more|ArXiv.org|Mar 28, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用 35

一句话总结

本文提出原初黑洞（PBHs）可能通过霍金蒸发产生观测到的重子不对称性，且该不对称性关键取决于CP破坏和重子数破坏的相互作用，而非初始黑洞密度或宇宙学模型。研究发现，若原初黑洞残余物同时解释重子生成与暗物质，则需非自然地大的CP破坏，因此在标准粒子物理模型下，这两种现象互不相容。

ABSTRACT

We reconsider the possibility that the observed baryon asymmetry was generated by the evaporation of primordial black holes that dominated the early universe. We present a simple derivation showing that the baryon asymmetry is insensitive to the initial black hole density and the cosmological model but is sensitive to the temperature-dependence of the CP and baryon-violating (or lepton-violating) interactions. We also consider the possibility that black holes stop evaporating and form Planck-mass remnants that act as dark matter. We show that primordial black holes cannot simultaneously account for both the observed baryon asymmetry and the (remnant) dark matter density unless the magnitude of CP violation is much greater than expected from most particle physics models. Finally, we apply these results to ekpyrotic/cyclic models, in which primordial black holes may form when branes collide. We find that obtaining the observed baryon asymmetry is compatible with the other known constraints on parameters.

研究动机与目标

• 探究原初黑洞（PBHs）是否可通过霍金蒸发产生观测到的重子不对称性。
• 确定PBHs能否通过稳定的普朗克质量残余物同时解释重子不对称性和暗物质密度。
• 评估在暴胀与火劫/循环宇宙学模型中PBH重子生成的可行性。
• 考察sphaleron转换对重子生成机制施加的约束，以及CP破坏的必要性。

提出的方法

• 采用仅依赖于CP破坏及重子/轻子数破坏相互作用温度依赖性的模型无关方法，推导PBH蒸发产生的重子不对称性。
• 将推导结果应用于暴胀与火劫/循环模型，表明其对背景宇宙学不敏感。
• 考虑PBH形成稳定普朗克质量残余物的可能性，这些残余物可能构成暗物质。
• 评估重子生成与残余暗物质丰度的联合约束，要求大CP破坏以保持一致性。
• 分析sphaleron转换对重子不对称性的擦除作用，并探讨通过B-L守恒机制避免洗脱的方法。
• 与其它机制（如畴壁中的电弱重子生成）进行比较，以评估结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞蒸发是否能独立于初始黑洞密度或宇宙学模型，产生观测到的重子不对称性？
• RQ2 原初黑洞是否能通过稳定的普朗克质量残余物同时解释观测到的重子不对称性和暗物质密度？
• RQ3 若PBH形成暗物质残余物，成功实现重子生成所需的CP破坏程度如何？
• RQ4 sphaleron转换如何影响PBH蒸发期间生成的重子不对称性？能否避免其影响？
• RQ5 在重加热温度较低的火劫/循环模型中，该重子生成机制是否可行？

主要发现

• PBH蒸发产生的重子不对称性对初始黑洞数密度和宇宙学模型不敏感，仅取决于CP破坏及重子/轻子数破坏相互作用的温度依赖性。
• 在火劫/循环模型中，PBH重子生成对广泛参数范围均与所有已知观测约束相容。
• 若通过B-L守恒机制保持重子不对称性，可避免sphaleron洗脱，从而允许更广泛的黑洞质量与耦合范围。
• 若PBH残余物同时解释重子生成与暗物质，则需远大于大多数粒子物理模型预测的CP破坏，导致两者在标准CP破坏尺度下互不相容。
• 若PBH形成稳定残余物，最终重子不对称性将被抑制，导致两种现象在标准CP破坏尺度下无法共存。
• 该机制仅在CP破坏为最大或近最大时可行，暗示与常规粒子物理模型存在强烈张力。