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

Het universum is gevuld met twee grote mysteries die de moderne natuurkunde nog niet heeft opgelost. De eerste is waarom er meer materie is dan antimaterie. In de vroegste momenten na de oerknal hadden materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden moeten worden gecreëerd, om elkaar vervolgens volledig te vernietigen en een zee van puur licht achter te laten. Toch bestaan wij. Iets heeft de balans doen doorslaan, waardoor een kleine overmaat aan materie ontstond die uiteindelijk sterren, planeten en ons vormde. Het tweede mysterie is donkere materie. Astronomen weten dat ongeveer een kwart van het universum bestaat uit een onzichtbare substantie die sterrenstelsels bij elkaar houdt, maar niemand heeft ooit een deeltje ervan gezien of weet waar het uit bestaat. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze twee puzzels afzonderlijk te verklaren, waarbij ze vaak complexe nieuwe deeltjes of krachten voorstelden. Een recente studie suggereert echter dat het antwoord op beide in hetzelfde vreemde, minuscule object zou kunnen liggen: een primordiaal zwart gat.

Dit zijn niet de massieve zwarte gaten die zich in de centra van sterrenstelsels bevinden en ontstaan door instortende sterren. In plaats daarvan zijn het microscopische zwarte gaten die in de eerste fractie van een seconde na de oerknal zouden kunnen zijn ontstaan, gecreëerd door fluctuaties in de dichtheid van het vroege universum. Als ze bestaan, zouden ze ongelooflijk klein zijn, sommige wegen minder dan een gram, en ze zouden op dit moment aan het verdampen zijn, waarbij ze energie vrijgeven in een proces dat bekend staat als Hawkingstraling. Een team van onderzoekers heeft een nieuw model gebouwd dat laat zien hoe deze kleine zwarte gaten als kosmische fabrieken hadden kunnen fungeren, door de zware deeltjes te produceren die nodig zijn om ons materiedomeinante universum te creëren, terwijl ze tegelijkertijd een stabiel residu achterlaten dat de donkere materie vormt die we vandaag de dag zien.

De onderzoekers werkten binnen een specifiek theoretisch kader genaamd het Pati–Salam-model. Dit is een manier om de fundamentele deeltjes van de natuur te organiseren, waarbij de rechtshandige neutrino — een zware, onzichtbare neef van de bekende neutrino — wordt behandeld als een noodzakelijk onderdeel van de structuur van het universum in plaats van een optionele toevoeging. In dit model is het bestaan van deze zware neutrino's gekoppeld aan een specifieke energieschaal waarbij de natuurkrachten uit elkaar gaan. Het team stelde een eenvoudige maar moeilijke vraag: zouden de verdamping van primordiale zwarte gaten de zware neutrino's kunnen leveren die nodig zijn om de materie-antimaterie-onbalans te genereren, en zouden de zwarte gaten zelf een restant kunnen achterlaten dat dient als donkere materie?

Om dit te beantwoorden, simuleerden zij de levenscyclus van deze zwarte gaten. Ze begonnen met een universum waarin de krachten al uit elkaar waren gegaan voordat de snelle expansie van inflatie begon, wat ervoor zorgt dat gevaarlijke magnetische monopolen werden verdund. Vervolgens introduceerden ze een populatie van primordiale zwarte gaten met een specifiek reeks massa's. Terwijl deze zwarke gaten verdampden, zouden ze deeltjes uitspugen. Als de zwarte gaten heet genoeg waren, zouden ze de zware rechtshandige neutrino's uitzenden. Deze neutrino's zouden vervolgens vervallen op een manier die een lichte overmaat aan materie boven antimaterie creëerde. Deze overmaat zou uiteindelijk worden omgezet in baryonen — de protonen en neutronen die alle zichtbare materie vormen.

De studie vond dat dit proces werkt, maar alleen onder zeer specifieke omstandigheden. De onderzoekers ontdekten een scherpe grens op basis van de massa van de zwarte gaten. Als de zwarte gaten erg licht waren, wegend rond de honderd gram of minder, zouden ze heet genoeg zijn om de zware neutrino's direct uit te zenden. Dit zou een "niet-thermische" bron van materie creëren, waardoor de baryonische asymmetrie wordt gegenereerd zonder dat het universum extreem heet hoeft te zijn. Echter, dit scenario loopt tegen een muur aan wanneer men de donkere materie overweegt. Als deze lichte zwarte gaten volledig verdampen, laten ze niets achter. Maar als kwantumgravitatie hun verdamping net voor het verdwijnen stopt, waardoor een minuscuul, stabiel "restant" achterblijft, dan klopt de wiskunde niet meer. De studie toont aan dat als de zwarte gaten licht genoeg zijn om de materie-asymmetrie op deze manier te creëren, de achtergebleven resten zo talrijk zouden zijn dat ze het universum zouden overstromen met donkere materie, ver boven wat we waarnemen. In dit specifieke scenario kunnen de twee doelen — het creëren van de juiste hoeveelheid materie en de juiste hoeveelheid donkere materie — niet tegelijkertijd worden bereikt.

De oplossing, zo vonden de auteurs, ligt in iets zwaardere zwarke gaten. Als de primordiale zwarte gaten ongeveer één miljoen gram wegen, zijn ze koeler en kunnen ze de zware neutrino's niet efficiënt uit zichzelf uitzenden. In plaats daarvan worden de zware neutrino's geproduceerd door het hete plasma van het vroege universum. De zwarte gaten spelen dan een andere rol: ze verdampen en dumpen een enorme hoeveelheid entropie, of wanorde, in het universum. Dit proces verdunt de materie-asymmetrie die al was gecreëerd, maar het vernietigt deze niet. Cruciaal is dat wanneer deze zwaardere zwarte gaten uiteindelijk verdampen, ze een stabiel restant achterlaten. Omdat de zwarte gaten zwaarder zijn, is het aantal resterende resten veel kleiner. De studie berekent dat voor zwarte gaten met een initiële massa van ongeveer één miljoen gram, het aantal resterende resten perfect overeenkomt met de geobserveerde hoeveelheid donkere materie in het universum.

Deze enkele massawaarde van ongeveer één miljoen gram fungeert als een 'sweet spot'. Het is zwaar genoeg zodat de resten het universum niet overbevolken, maar licht genoeg zodat de zwarte gaten vroeg genoeg verdampen om de materie-asymmetrie te laten verwerken door de natuurlijke mechanismen van het universum voordat de natuurkrachten bevriezen. De onderzoekers merkten ook op dat dit scenario een duidelijke vingerafdruk achterlaat. De willekeurige distributie van deze zwarte gaten in het vroege universum zou rimpelingen in de ruimtetijd hebben veroorzaakt, wat een achtergrondgezoem van zwaartekrachtgolven genereert. Deze golven zouden een frequentie hebben die toekomstige detectoren, zoals de Einstein Telescoop, zou kunnen horen. Daarnaast zou de directe emissie van gravitonen tijdens de laatste momenten van de zwarte gaten bijdragen aan de stralingsdichtheid van het universum, een grootheid die toekomstige experimenten met de kosmische achtergrondstraling met hoge precisie zouden kunnen meten.

Het artikel concludeert dat hoewel het idee om zwarte gaten te gebruiken om zowel de materie- als de donkere materiepuzzels op te lossen een aantrekkelijk concept is, het geen universele oplossing is. Het sluit de mogelijkheid uit dat de lichtste zwarte gaten het werk alleen kunnen doen. In plaats daarvan wijst het naar een specifieke, nauwe window van zwarte gatmassa's waar het universum getuned zou kunnen zijn om precies te produceren wat we vandaag de dag zien. Het model steunt op de aanname dat kwantumgravitatie de verdamping van zwarte gaten stopt op de Planck-schaal, waardoor stabiele resten achterblijven. Als deze aanname standhoudt, dan zijn het bestaan van donkere materie en de oorsprong van ons materierijke universum twee zijden van dezelfde munt, gesmeed in de verdamping van een specifieke populatie van primordiale zwarte gaten. De bevindingen suggereren dat de volgende generatie experimenten met zwaartekrachtgolven en de kosmische achtergrondstraling dit elegante verband ofwel kan bevestigen, of ons kan dwingen om naar een andere verklaring voor de donkere kant van het kosmos te zoeken.