[论文解读] Primordial black holes from the QCD epoch: Linking dark matter, baryogenesis and anthropic selection

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

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出，原初黑洞（PBHs）在强子-夸克相变（QCD）时期形成，可自然地将暗物质、重子生成与人择选择联系起来。质量接近钱德拉塞卡极限的PBHs通过激波加热产生局部重子不对称性，从而解释观测到的暗物质与重子密度比（约6），并通过与暴胀期间随机伴场引起的曲率涨落相关的、经人择选择的坍缩分数，解决精细调节问题。

ABSTRACT

If primordial black holes (PBHs) formed at the quark-hadron epoch, their mass must be close to the Chandrasekhar limit, this also being the characteristic mass of stars. If they provide the dark matter (DM), the collapse fraction must be of order the cosmological baryon-to-photon ratio $\sim 10^{-9}$, which suggests a scenario in which a baryon asymmetry is produced efficiently in the outgoing shock around each PBH and then propagates to the rest of the Universe. We suggest that the temperature increase in the shock provides the ingredients for hot spot electroweak baryogenesis. This also explains why baryons and DM have comparable densities, the precise ratio depending on the size of the PBH relative to the cosmological horizon at formation. The observed value of the collapse fraction and baryon asymmetry depends on the amplitude of the curvature fluctuations which generate the PBHs and may be explained by an anthropic selection effect associated with the existence of galaxies. We propose a scenario in which the quantum fluctuations of a light stochastic spectator field during inflation generate large curvature fluctuations in some regions, with the stochasticity of this field providing the basis for the required selection. Finally, we identify several observational predictions of our scenario that should be testable within the next few years. In particular, the PBH mass function could extend to sufficiently high masses to explain the black hole coalescences observed by LIGO/Virgo.

研究动机与目标

• 解释宇宙中暗物质与重子密度巧合地同量级（约10^-9，以临界密度单位计）的原因。
• 解决PBH坍缩分数β ~ 10^-9的精细调节问题，该值是PBH构成全部暗物质所必需的。
• 在单一宇宙学框架内统一PBH形成、重子生成与人择选择。
• 为LIGO/Virgo提供可检验的PBH质量函数与引力波信号预测。
• 通过物理机制而非人为调节，解释观测到的重子-光子比η ~ 10^-9。

提出的方法

• 利用暴胀期间随机伴场决定幅度的曲率扰动，建模PBH在QCD相变期间的形成。
• 从非高斯曲率涨落分布的尾部分析坍缩分数β，假设当δ > δ_c时形成PBH。
• 利用每个PBH周围的激波加热，通过电弱过程生成局部重子不对称性，效率γ ~ 1。
• 将重子不对称性全局传播，按因子β稀释，从而将β与观测到的η ~ 10^-9联系起来。
• 应用人择选择，解释为何β与η均为~10^-9，依据是星系形成的必要条件。
• 从曲率涨落的功率谱推导PBH质量函数，包括依赖于伴场主导能标的低质量截断。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何暗物质与重子密度之比约为6？这一现象能否由单一物理机制解释？
• RQ2 如何在无需精细调节的情况下自然实现PBH坍缩分数β ~ 10^-9？
• RQ3 PBH形成产生的激波能否触发重子生成？该过程的效率如何？
• RQ4 人择选择在解释β与重子-光子比η的观测值中起什么作用？
• RQ5 未来可通过哪些观测信号（如引力波信号或CMB异常）检验此情景？

主要发现

• 预测PBH质量函数可延伸至高质​​量，可能解释LIGO/Virgo探测到的双黑洞合并事件。
• 坍缩分数β自然地处于η ~ 10^-9量级，因为重子不对称性在每个PBH周围以效率~1生成，随后被β稀释。
• 观测到的重子-光子比η ~ 10^-9源于激波加热效率与宇宙坍缩进入PBH的分数之间的相互作用。
• 该模型预测非高斯、非单色的PBH质量函数，其低质量截断由伴场主导能标决定。
• 该情景通过与PBH形成及激波驱动重子生成相关的物理解释，说明了暗物质与重子密度的巧合。
• 该模型提供了一个框架，使得观测到的β与η值并非精细调节的结果，而是暴胀期间罕见大曲率涨落统计的自然结果。