Primordial Black Hole Formation in Non-Minimal Curvaton Scenario
Abstract: In the curvaton scenario, the curvature perturbation is generated after inflation at the curvaton decay, which may have a prominent non-Gaussian effect. For a model with a non-trivial kinetic term, an enhanced curvature perturbation on a small scale can be realized, which can lead to copious production of primordial black holes (PBHs) and induce secondary gravitational waves (GWs). Using the probability distribution function (PDF) which takes full nonlinear effects into account, we calculate the PBH formation. We find that under the assumption that thus formed PBHs would not overclose the universe, the non-Gaussianity of the curvature perturbation can be well approximated by the local quadratic form, which can be used to calculate the induced GWs. In this model the limit of large non-Gaussianity can be reached when the curvaton energy fraction $r$ is small at the moment of curvaton decay. We also show that in the $r\to1$ limit the PDF is similar to that of ultraslow-roll inflation.
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016), arXiv:1602.03837 [gr-qc] .
- E. Barausse et al., Gen. Rel. Grav. 52, 81 (2020), arXiv:2001.09793 [gr-qc] .
- W.-R. Hu and Y.-L. Wu, Natl. Sci. Rev. 4, 685 (2017).
- J. Luo et al. (TianQin), Class. Quant. Grav. 33, 035010 (2016), arXiv:1512.02076 [astro-ph.IM] .
- H. Noh and J.-c. Hwang, Phys. Rev. D 69, 104011 (2004).
- C. Carbone and S. Matarrese, Phys. Rev. D 71, 043508 (2005), arXiv:astro-ph/0407611 .
- K. Nakamura, Prog. Theor. Phys. 117, 17 (2007), arXiv:gr-qc/0605108 .
- H. Assadullahi and D. Wands, Phys. Rev. D 81, 023527 (2010), arXiv:0907.4073 [astro-ph.CO] .
- H. Di and Y. Gong, JCAP 07, 007 (2018), arXiv:1707.09578 [astro-ph.CO] .
- K. Kohri and T. Terada, Phys. Rev. D 97, 123532 (2018), arXiv:1804.08577 [gr-qc] .
- C. Unal, Phys. Rev. D 99, 041301 (2019), arXiv:1811.09151 [astro-ph.CO] .
- C. Yuan and Q.-G. Huang, Phys. Lett. B 821, 136606 (2021), arXiv:2007.10686 [astro-ph.CO] .
- S. Pi and M. Sasaki, JCAP 09, 037 (2020), arXiv:2005.12306 [gr-qc] .
- G. Domènech, Universe 7, 398 (2021), arXiv:2109.01398 [gr-qc] .
- R. Saito and J. Yokoyama, Phys. Rev. Lett. 102, 161101 (2009), [Erratum: Phys. Rev. Lett. 107, 069901 (2011)], arXiv:0812.4339 [astro-ph] .
- R. Saito and J. Yokoyama, Prog. Theor. Phys. 123, 867 (2010), [Erratum: Prog.Theor.Phys. 126, 351–352 (2011)], arXiv:0912.5317 [astro-ph.CO] .
- E. Bugaev and P. Klimai, Phys. Rev. D 81, 023517 (2010), arXiv:0908.0664 [astro-ph.CO] .
- E. Bugaev and P. Klimai, Phys. Rev. D 83, 083521 (2011), arXiv:1012.4697 [astro-ph.CO] .
- R. Bean and J. Magueijo, Phys. Rev. D 66, 063505 (2002), arXiv:astro-ph/0204486 .
- B. Carr and J. Silk, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 478, 3756 (2018), arXiv:1801.00672 [astro-ph.CO] .
- S. Clesse and J. GarcÃa-Bellido, Phys. Dark Univ. 15, 142 (2017), arXiv:1603.05234 [astro-ph.CO] .
- Y. Ali-Haïmoud and M. Kamionkowski, Phys. Rev. D 95, 043534 (2017), arXiv:1612.05644 [astro-ph.CO] .
- M. Zumalacarregui and U. Seljak, Phys. Rev. Lett. 121, 141101 (2018), arXiv:1712.02240 [astro-ph.CO] .
- J. Scholtz and J. Unwin, Phys. Rev. Lett. 125, 051103 (2020), arXiv:1909.11090 [hep-ph] .
- H. Niikura et al., Nature Astron. 3, 524 (2019b), arXiv:1701.02151 [astro-ph.CO] .
- R. Laha, Phys. Rev. Lett. 123, 251101 (2019), arXiv:1906.09994 [astro-ph.HE] .
- W. DeRocco and P. W. Graham, Phys. Rev. Lett. 123, 251102 (2019), arXiv:1906.07740 [astro-ph.CO] .
- J. Yokoyama, Phys. Rev. D 58, 083510 (1998), arXiv:astro-ph/9802357 .
- J. Garcia-Bellido and E. Ruiz Morales, Phys. Dark Univ. 18, 47 (2017), arXiv:1702.03901 [astro-ph.CO] .
- Y. Tada and S. Yokoyama, Phys. Rev. D 100, 023537 (2019), arXiv:1904.10298 [astro-ph.CO] .
- S. S. Mishra and V. Sahni, JCAP 04, 007 (2020), arXiv:1911.00057 [gr-qc] .
- N. Bhaumik and R. K. Jain, JCAP 01, 037 (2020), arXiv:1907.04125 [astro-ph.CO] .
- V. Vennin, Stochastic inflation and primordial black holes, Ph.D. thesis, U. Paris-Saclay (2020), arXiv:2009.08715 [astro-ph.CO] .
- T.-J. Gao and X.-Y. Yang,  (2021), arXiv:2101.07616 [astro-ph.CO] .
- K.-W. Ng and Y.-P. Wu,  (2021), arXiv:2102.05620 [astro-ph.CO] .
- T.-J. Gao and Z.-K. Guo, Phys. Rev. D 98, 063526 (2018), arXiv:1806.09320 [hep-ph] .
- I. Dalianis and K. Kritos, Phys. Rev. D 103, 023505 (2021), arXiv:2007.07915 [astro-ph.CO] .
- S. Kawai and J. Kim, Phys. Rev. D 104, 083545 (2021), arXiv:2108.01340 [astro-ph.CO] .
- S. Clesse and J. GarcÃa-Bellido, Phys. Rev. D 92, 023524 (2015), arXiv:1501.07565 [astro-ph.CO] .
- L. Anguelova, JCAP 06, 004 (2021), arXiv:2012.03705 [hep-th] .
- A. E. Romano,  (2020), arXiv:2006.07321 [astro-ph.CO] .
- A. Gundhi and C. F. Steinwachs, Eur. Phys. J. C 81, 460 (2021), arXiv:2011.09485 [hep-th] .
- E. Cotner and A. Kusenko, Phys. Rev. Lett. 119, 031103 (2017a), arXiv:1612.02529 [astro-ph.CO] .
- E. Cotner and A. Kusenko, Phys. Rev. D 96, 103002 (2017b), arXiv:1706.09003 [astro-ph.CO] .
- T. Moroi and T. Takahashi, Phys. Lett. B 522, 215 (2001), [Erratum: Phys.Lett.B 539, 303–303 (2002)], arXiv:hep-ph/0110096 .
- K. Enqvist and M. S. Sloth, Nucl. Phys. B 626, 395 (2002), arXiv:hep-ph/0109214 .
- K. Enqvist and S. Nurmi, JCAP 10, 013 (2005), arXiv:astro-ph/0508573 .
- A. L. Berkin and K.-I. Maeda, Phys. Rev. D 44, 1691 (1991).
- G. Domènech and M. Sasaki, JCAP 04, 022 (2015), arXiv:1501.07699 [gr-qc] .
- K. A. Malik and D. H. Lyth, JCAP 09, 008 (2006), arXiv:astro-ph/0604387 .
- S. Young, Int. J. Mod. Phys. D 29, 2030002 (2019), arXiv:1905.01230 [astro-ph.CO] .
- H. Kodama and M. Sasaki, Prog. Theor. Phys. Suppl. 78, 1 (1984).
- N. Bartolo et al., JCAP 12, 026 (2016), arXiv:1610.06481 [astro-ph.CO] .
- G. Wang and W.-B. Han,  (2021), arXiv:2108.11151 [gr-qc] .
- E. V. Bugaev and P. A. Klimai, Int. J. Mod. Phys. D 22, 1350034 (2013), arXiv:1303.3146 [astro-ph.CO] .
- S. Young and C. T. Byrnes, JCAP 08, 052 (2013), arXiv:1307.4995 [astro-ph.CO] .
- C. Chen and Y.-F. Cai, JCAP 10, 068 (2019), arXiv:1908.03942 [astro-ph.CO] .
- L.-H. Liu and W.-L. Xu,  (2021), arXiv:2107.07310 [astro-ph.CO] .
- S. Pi and M. Sasaki, Phys. Rev. Lett. 131, 011002 (2023), arXiv:2211.13932 [astro-ph.CO] .
Sponsor
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.