[论文解读] Primordial black holes from bubble collisions during a first-order phase transition

Tae Hyun Jung, Takemichi Okui|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 21

一句话总结

本文提出，原初黑洞（PBHs）可通过早期宇宙一阶相变期间近视界尺寸的气泡与厚流体壳层碰撞形成。利用 hoop 猜想，研究表明此类碰撞可产生单色的 PBH 质量谱，其丰度可能达到暗物质水平甚至导致宇宙过闭合，具体取决于未来模拟得出的模型参数。

ABSTRACT

We study the possibility of production of primordial black holes (PBHs) from bubble collisions during a first-order phase transition. While typical colliding bubbles are small and irrelevant for PBH production, we find that those that can produce PBHs must have a macroscopically thick fluid shell and have been born much before the typical nucleation time. Particularly large uncertainties arise from an exponential sensitivity of the nucleation rate on the required duration of bubble growth which depends on the details of the collisions and the evolution of the spacetime metric toward the end of the phase transition. We introduce a few parameters to be obtained from future numerical simulation to represent those unknowns, and estimate the PBH abundance in an Abelian Higgs benchmark model and show that it can be significant. We predict an approximately monochromatic PBH mass spectrum, and find regions in the parameter space where the PBHs can constitute entire dark matter or even over-close the universe. Our result thus shows that models with a first-order phase transition can be constrained by over-abundant PBHs or null results of other PBH searches.

研究动机与目标

• 探究一阶相变期间气泡碰撞是否能产生可观测丰度的原初黑洞（PBHs）。
• 识别原初黑洞形成所必需的物理条件——特别是近视界尺寸的气泡与厚流体壳层。
• 利用 hoop 猜想和未来模拟得出的数值参数，估算基准阿贝尔希格斯模型中的 PBH 丰度。
• 评估 PBH 过量产生的宇宙学影响，包括宇宙过闭合或对 PBH 搜索零结果的约束。
• 为通过 PBH 检测或未检测结果来检验一阶相变模型提供一个框架。

提出的方法

• 将 hoop 猜想作为黑洞形成的判据，要求 2GM ≳ C_D，其中 C_D 是致密区域 D 的最大周长。
• 将碰撞气泡形成的致密区域 D 建模为气泡壁上具有宏观厚度的流体壳层，这些壳层对质量集中至关重要。
• 假设气泡半径接近视界尺寸，并利用量纲分析将临界场值 φ_c 与温度 T 和质量标度 μ_* 关联。
• 使用热瞬子方法估算气泡成核率 Γ_n(T)，其指数抑制项为 e^(-S_4[φ_c])，预因子为 T^4。
• 通过 T(t) = T_n exp(-H(t - t_n)) 将温度依赖的速率转换为时间依赖的速率，该关系在真空主导膨胀期间有效。
• 通过积分速率计算 PBH 形成概率 P_PBH(t) 和数密度 n_PBH，使用 κ、ΔΩ/4π 和 g 等参数对结果进行缩放。

实验结果

研究问题

• RQ1 一阶相变期间的气泡碰撞能否产生可观测丰度的原初黑洞？
• RQ2 哪些物理条件——如气泡尺寸和壳层厚度——对显著的 PBH 形成是必要的？
• RQ3 此类碰撞形成的 PBH 的预期质量谱是什么？是否为单色谱？
• RQ4 PBH 丰度如何依赖于耦合 g、真空能量标度 μ_* 和立体角 ΔΩ 等模型参数？
• RQ5 该机制导致的 PBH 过量是否能约束或排除具有第一类相变的模型？

主要发现

• 近视界尺寸气泡与厚流体壳层的碰撞可形成 PBH，满足 hoop 猜想的黑洞形成条件。
• 由此产生的 PBH 质量谱近似为单色谱，由气泡壁动力学和能量密度压缩决定。
• 在阿贝尔希格斯基准模型中，PBH 可构成全部暗物质密度，甚至导致宇宙过闭合，具体取决于参数。
• PBH 丰度 f_PBH 对立体角 ΔΩ/4π 极其敏感，小角度时出现显著抑制。
• 该模型预测，未来数值模拟必须解析流体壳层厚度和壁面速度分布，才能准确估算 PBH 产额。
• 与热速率相比，量子隧穿对成核率的贡献可忽略不计，因此使用经典热瞬子估计是合理的。