[论文解读] Primordial black holes, dark matter and hot-spot electroweak baryogenesis at the quark-hadron epoch

B. J. Carr, Sébastien Clesse+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 10

一句话总结

本文提出，在暴胀期间，一种轻量级随机背景场（如QCD轴子）的量子涨落可在辐射主导时代产生大的曲率涨落，从而在夸克-强子相变时期引发原初黑洞（PBH）的形成，其质量函数在钱德拉塞卡质量处达到峰值。这些PBH自然地解释了暗物质，并实现了一种新颖的热点电弱重子生成机制，解释了重子子-光子比以及重子物质与暗物质密度的巧合性，同时解决了强CP问题。

ABSTRACT

We propose a scenario in which the quantum fluctuations of a light stochastic spectator field during inflation, for instance the QCD axion, generate large curvature fluctuations in the radiation era. This inevitably leads to the existence of Hubble patches in which primordial black holes (PBHs) form at the quark-hadron epoch with a density comparable to the dark matter. The PBHs naturally have an extended mass function, with a density peaking at the Chandrasekhar mass, and extending to the mass required to explain the black hole coalescences observed by LIGO/Virgo, without violating current astrophysical constraints. At the quark-hadron epoch, the entropy production and temperature increase in PBH-forming regions provide the ingredients for a novel scenario of hot spot electroweak baryogenesis. Baryons are produced very efficiently around these collapsing pockets and then quickly diffuse to the entire Universe. This explains why the PBH collapse fraction at the QCD epoch is of order the observed baryon-to-photon ratio and why baryons and dark matter have comparable densities. If the stochastic spectator field is the QCD axion, this also explains the strong CP problem. Parameter fine-tunings are replaced by a single anthropic selection argument involving the stochasticity of the spectator field during inflation and the requirement that galaxies can form. Finally, we identify several observational predictions of our scenario that should be testable within the next few years.

研究动机与目标

• 解释观测到的暗物质与重子物质密度之间的巧合性。
• 通过PBH形成机制，在夸克-强子相变时期提供一种电弱重子生成的机制。
• 通过将随机背景场识别为QCD轴子，解决强CP问题。
• 解释观测到的PBH质量函数，包括LIGO/Virgo探测到的PBH，且不违反天体物理约束。
• 用基于随机暴胀涨落与星系形成的人类中心选择原理取代微调。

提出的方法

• 将暴胀期间的随机背景场建模为辐射主导时代曲率涨落的来源。
• 利用由此产生的大尺度曲率涨落，识别在夸克-强子相变时期形成PBH的哈勃区域。
• 计算PBH质量函数，显示其在钱德拉塞卡质量处达到峰值，并延伸至与LIGO/Virgo观测质量一致的范围。
• 分析PBH形成区域的熵产生与温度上升，以实现热点电弱重子生成。
• 建模PBH区域中重子向整个宇宙的扩散，确保重子子-光子比的全局均匀性。
• 将随机背景场识别为QCD轴子，将PBH形成与强CP问题的解决联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暴胀期间，轻量级随机背景场的量子涨落是否能产生足够的曲率涨落，以触发在夸克-强子相变时期的PBH形成？
• RQ2 由此产生的PBH质量函数是否自然地重现了观测到的暗物质密度，并与LIGO/Virgo探测到的黑洞并合质量相匹配？
• RQ3 在夸克-强子相变时期形成PBH是否能为局部热点中的高效电弱重子生成提供条件？
• RQ4 为何重子子-光子比近似等于在QCD相变时期形成的PBH比例？
• RQ5 在此框架中，将随机背景场识别为QCD轴子如何解决强CP问题？

主要发现

• PBH质量函数在钱德拉塞卡质量处达到峰值，并延伸至与LIGO/Virgo观测一致的质量范围，且不违反当前天体物理约束。
• 在夸克-强子相变时期塌缩成PBH的宇宙部分自然地处于与观测到的重子子-光子比相当的数量级。
• 在PBH形成区域产生的重子会迅速在整个宇宙中扩散，确保重子子-光子比的全局均匀性。
• 该场景通过单一物理机制（源于暴胀涨落）解释了重子物质与暗物质密度的巧合性。
• 将随机背景场识别为QCD轴子，为强CP问题提供了动力学解法。
• 该模型提出了可检验的预测，未来几年内可能被证实或排除。