[论文解读] TASI Lectures on Early Universe Cosmology: Inflation, Baryogenesis and Dark Matter

James M. Cline|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提供了早期宇宙宇宙学关键机制——原初暴胀、重子生成（轻子生成与电弱重子生成）以及暗物质产生——的全面且教学性质的概述，聚焦于理论框架、观测约束和模型构建技术。文章统一处理了热冻结、不对称暗物质、冻结产生、SIMP模型、轴子对齐机制以及原初黑洞形成，对遗迹密度进行了定量估计，并结合了CMB和LHC数据的约束。

ABSTRACT

These lectures, presented at TASI 2018, provide a concise introduction to inflation, baryogenesis, and aspects of dark matter not covered by the other lectures. The emphasis for inflation is an intuitive understanding and techniques for constraining inflationary models. For baryogenesis we focus on two examples, leptogenesis and electroweak baryogenesis, with attention to singlet-assisted two-step phase transitions. Concerning dark matter, we review different classes of models distinguished by their mechanisms for obtaining the observed relic density, including thermal freeze-out, asymmetric dark matter, freeze-in, SIMP dark matter, the misalignment mechanism for ultralight scalars and axions, and production of primordial black holes during inflation. Problem sets are provided.

研究动机与目标

• 为未在同期TASI讲座中涵盖的暴胀、重子生成与暗物质机制提供自包含且易于理解的入门介绍。
• 为研究人员提供直观理解与定量工具，以约束暴胀模型与重子生成情景。
• 回顾多种暗物质产生机制——包括热冻结、不对称暗物质、冻结产生、SIMP、轴子对齐机制以及原初黑洞——重点在于遗迹密度的计算。
• 提供习题集，连接理论与观测，使读者能够动手应用宇宙学约束与模型构建技术。

提出的方法

• 使用自然单位制与弗里德曼-罗伯逊-沃尔克度规，推导膨胀宇宙的动力学与能量密度的演化。
• 应用宇宙学微扰理论，计算暴胀子场的量子涨落及其功率谱，将其与CMB各向异性联系起来。
• 在轻子生成与电弱相变的背景下，分析通过$B$与$C,CP$破坏实现的重子生成，包括一级相变的条件。
• 推导各类暗物质模型的遗迹密度公式：热冻结、不对称暗物质、冻结产生、SIMP、轴子对齐机制以及原初黑洞。
• 利用高斯场的对数正态分布，估算原初密度涨落形成黑洞的概率。
• 使用对齐机制推导轴子遗迹密度关于质量与衰变常数的表达式，并应用COBE归一化。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀期间的量子涨落如何产生CMB中观测到的原初密度扰动？
• RQ2 成功的轻子生成情景需要满足什么条件，特别是关于大质量右手中微子衰变与$CP$不对称性？
• RQ3 电弱重子生成能否产生观测到的重子不对称性？对强一级电弱相变的要求会带来何种约束？
• RQ4 哪些可行的暗物质产生机制能够重现观测到的遗迹密度$\Omega_{\rm DM} \sim 0.3$？
• RQ5 从原初密度涨落形成$30\,M_\odot$原初黑洞的概率是多少？标量功率谱需大到何种程度才能使这一过程变得可能？

主要发现

• 为使$30\,M_\odot$原初黑洞的形成成为可能，标量功率谱在$k \sim 1/R$处必须增强约$\sim 10^4$倍，假设为尺度不变涨落。
• 轴子遗迹密度估计为$\Omega_a \sim 0.3\left(m/10^{-22}\,{\rm eV}\right)^{1/2}\left(f/4\times 10^{16}\,{\rm GeV}\right)^2$，与观测到的暗物质丰度一致。
• 对于自相互作用暗物质，当$\lambda \sim 1$时，质量$m \sim 10^{-11}\,{\rm GeV}$可使$\sigma/m \sim 0.1\,{\rm cm}^2/{\rm g}$，满足观测到的截面约束。
• SIMP暗物质的$3\to 2$湮灭截面$\sigma v \sim 1/m^5$，当$m \sim 10\,{\rm GeV}$时，可产生正确的遗迹密度。
• 除非在相关尺度上功率谱显著增强，否则从高斯涨落形成$30\,M_\odot$黑洞的概率呈指数抑制。
• 对齐机制产生轴子样暗物质，其遗迹密度与$\Omega_a \propto m^{1/2} f^2$成正比，其中$f$为轴子衰变常数。