Leptogenesis and Planck-scale black hole remnants in a Pati-Salam cosmology

宇宙は、現代物理学が未だ解決できていない二つの大きな謎に満ちています。一つ目は、なぜ物質が反物質よりも多いのかという謎です。ビッグバン直後の初期宇宙において、物質と反物質は等量で生成され、互いに消滅して純粋な光の海を残したはずでした。しかし、私たちは存在しています。何かが天秤を傾け、星や惑星、そして私たちを形成することになる、ごくわずかな物質の余剰を生み出したのです。二つ目の謎はダークマターです。天文学者は、宇宙の約4分の1が銀河を繋ぎ止めている目に見えない物質で構成されていることを知っていますが、その粒子を実際に見た者は一人もおらず、それが何でできているのかも分かっていません。数十年にわたり、科学者たちはこれら二つのパズルを別々に説明しようと試み、しばしば複雑な新しい粒子や力を提案してきました。しかし、最近の研究は、その答えの両方が、同じ奇妙で極小の天体、すなわち「原始ブラックホール」にある可能性を示唆しています。

これらは、銀河の中心に見られる、崩壊した恒星から形成される巨大なブラックホールではありません。むしろ、宇宙初期の密度ゆらぎによって形成された可能性のある、微小なブラックホールです。もしこれらが存在すれば、それらは極めて小さく、質量が1グラム未満のものもあり、現在まさにホーキング放射と呼ばれるプロセスを通じてエネルギーを放出しながら蒸発しているはずです。研究チームは、これらの小さなブラックホールがいかにして「宇宙の工場」として機能し、私たちの物質優位の宇宙を創り出すために必要な重い粒子を生成すると同時に、今日私たちが観測しているダークマターとなる安定した残渣（レジデュー）を残すことができるかを示す、新しいモデルを構築しました。

研究者たちは、「パティ・サラム・モデル」と呼ばれる特定の理論的枠組みの中で作業を行いました。これは、右巻きニュートリノ（馴染み深いニュートリノの、重くて目に見えない従兄弟のような存在）を、単なるオプションではなく、宇宙の構造に不可欠な要素として扱う、自然界の基本粒子を整理するための手法です。このモデルでは、これらの重いニュートリノの存在は、自然界の力が分離する特定のエネルギー・スケールと結びついています。チームは、シンプルかつ困難な問いを投げかけました。「原始ブラックホールの蒸発が、物質と反物質の不均衡を生み出すために必要な重いニュートリ程を提供できるか？ そして、ブラックホール自体がダークマターとして機能する残骸を残せるか？」

これに答えるため、彼らはブラックホールのライフサイクルをシミュレーションしました。まず、インフレーションによる急激な膨張が始まる前に、自然界の力がすでに分離していた宇宙を設定し、危険な磁気単極子（モノポール）が希釈されて消えている状態にしました。次に、特定の質量の範囲を持つ原始ブラックホールの集団を導入しました。これらのブラックホールが蒸発するにつれ、それらは粒子を吐き出します。もしブラックホールが十分に高温であれば、重い右巻きニュートリノを放出します。これらのニュートリノは、物質と反物質のわずかな過剰を生み出すような形で崩壊します。この過剰分は、最終的に、すべての可視物質を構成するバリオン（陽子や中性子）へと変換されます。

研究の結果、このプロセスは機能するものの、非常に特定の条件下でのみ成立することが分かりました。研究者たちは、ブラックホールの質量に基づいた明確な境界線を発見しました。もしブラックホールが非常に軽く、質量が100グラム程度以下であれば、それらは重いニュートリノを直接放出できるほど十分に高温となります。これにより、宇宙が極端に高温である必要のない「非熱的」な物質源が生成され、バリオンの非対称性が生み出されます。しかし、このシナリオはダークマターを考慮すると壁に突き当たります。もしこれらの軽いブラックホールが完全に蒸発してしまうなら、何も残りません。しかし、量子重力が蒸発の直前でそれを阻止し、微小で安定した「残骸」を残すと仮定した場合、計算が破綻します。研究によロによると、もしブラックホールがこの方法で物質の非対称性を生み出すほど軽い場合、残された残骸があまりにも多すぎて、観測されている量を遥かに超えるダークマターで宇宙を満たしてしまうのです。この特定のシナリオでは、正しい量の物質と正しい量のダークマターを同時に達成することはできません。

著者たちが発見した解決策は、わずかに重いブラックホールにありました。もし原始ブラックホールの質量が約100万グラムであれば、それらはより低温であり、自ら効率的に重いニュートリノを放出することはできません。代わりに、重いニュートリノは初期宇宙の高温プラズマによって生成されます。その際、ブラックホールは別の役割を果たします。それらは蒸発して、宇宙に大量のエントロピー、すなわち無秩序を注ぎ込みます。このプロセスは、すでに形成されていた物質の非対称性を希釈しますが、それを破壊することはありません。決定的なのは、これら重いブラックホールが最終的に蒸発する際、安定した残骸を残すことです。ブラックホールがより重いため、残される残骸の数ははるかに少なくなります。研究では、初期質量が約100万グラムのブラックホールの場合、残る残骸の数が、宇宙における観測されたダークマタの量と完璧に一致することが計算されました。

この約100万グラムという単一の質量値は、「スイートスポット」として機能します。それは、残骸が宇宙を過剰に占有しないほど重く、かつ、自然界の力が凍結（フリーズアウト）する前に、宇宙の自然なメカニズムによって物質の非対称性が処理されるのに十分なほど軽いのです。また、研究者たちは、このシナリオが独特の「指紋」を残すことにも注目しました。初期宇宙におけるこれらのブラックホールのランダムな分布は、時空にさざ波を生じさせ、重力波の背景音（バックグラウンド・ハム）を発生させたはずです。これらの波は、将来の「アインシュタイン・テレスコープ」のような検出器が聞き取ることができる周波数を持つでしょう。さらに、ブラックホールの最期の瞬間に放出されるグラビトン（重力子）の直接的な放出は、宇宙の放射密度に寄与し、その量は将来の宇宙マイクロ波背景放射の実験によって高精度で測定できる可能性があります。

論文は、ブラックホールを用いて物質とダークマターの両方のパズルを解くというアイデアは説得力があるものの、それが普遍的な解決策ではないと結論付けています。最も軽いブラックホールだけではその役割を果たせないことを、この研究は否定しています。むしろ、宇宙が今日見ているものと正確に一致するように調整されていた可能性のある、ブラックホールの質量の非常に狭い窓を示しています。このモデルは、量子重力がブラックホールの蒸発をプランクスケールで停止させ、安定した残骸を残すという仮定に基づいています。もしこの仮定が正しければ、ダークマターの存在と、私たちの物質に満ちた宇宙の起源は、特定の集団の原始ブラックホールの蒸発によって鍛えられた、表裏一体の存在なのです。この知見は、次世代の重力波および宇宙背景放射の実験が、この優雅な繋がりを裏付けるか、あるいは、宇宙の暗部に対する別の説明を探すよう我々に強いることになるであろうことを示唆しています。