[論文レビュー] Anisotropic scalar field emission from TeV scale black hole

Daisuke Ida, Kin-ya Oda+1 more|ArXiv.org|Jan 24, 2005

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 9被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、大規模な追加次元を伴うモデルにおけるテヴスケールの高次元回転ブラックホールからのホーキング放射を、灰色体因子を介したスカラー場の放射に焦点を当てて調査する。D=4+n次元におけるテウコルスキー方程式の一般化された解を、低エネルギー近似を用いずに得ることで、m>0モードにおけるスーパー放射の確認と、スカラー場に対しても非自明な角度分布のパターンの解明に成功した。これは、LHC衝突実験におけるブラックホール回転の主要な特徴となる。

ABSTRACT

Black holes are predicted to be copiously produced at the CERN Large Hadron Collider in the scenarios of TeV scale gravity. We report recent progress in studying decay of such a higher dimensional black hole in D=4+n dimensions through the Hawking radiation into brane localized fields taking into account its angular momentum which is indispensable for realistic simulations. Presented is the greybody factors for a scalar field emission, which confirms our previous results in low energy approximation: (i) the existence of super-radiance modes and (ii) the non-trivial angular distribution of radiated scalar field. Phenomenological implications and future plans are discussed.

研究の動機と目的

• 現実的なLHCシミュレーションに不可欠な角運動量を有するテヴスケールの高次元ブラックホールからのホーキング放射を研究すること。
• 低エネルギー近似を用いないD=4+n次元の回転ブラックホールにおけるブレーン局在スカラー場の灰色体因子を計算すること。
• スカラー場放射における、スーパー放射や角度非等方性といった回転の現象的特徴を同定すること。
• 衝突実験における信号予測のため、ブラックホールの蒸発および角運動量損失の正確なモデル化を可能にすること。

提案手法

• マイアーズ＝パリー黑洞におけるスカラー場摂動の分離可能なテウコルスキー型マスタ一方程式をD=4+n次元で導出する。
• 一般の(l,m)モードに対して、ホライズン構造と回転を正確に扱った解析的および数値的解法により、径方向および角度方向方程式を解く。
• 低周波数展開を用いない径路解を用いて、スカラー場の灰色体因子Γ_{s,l,m}を計算する。
• 高次元ブラックホール幾何をモデル化するため、Δ = r² + a² − (r_H² + a²)(r/r_H)^{-(n−1)} を用いた径路方程式を適用する。
• 式(7)におけるフラックス積分を用いて、灰色体因子を質量および角運動量の変化と関連付ける。
• D=5ブラックホールに対する既知の低エネルギー極限と数値的検証により、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D>5における高次元回転ブラックホールのスカラー場放射において、スーパー放射が発生するか？
• RQ2 角運動量は、スカラー場のホーキング放射の角度分布にどのように影響するか？
• RQ3 低エネルギー近似を用いないD=4+nブラックホールにおけるブレーン局在スカラー場の灰色体因子の挙動はいかなるものか？
• RQ4 放射の非自明な角度依存性は、LHCにおける回転ブラックホールの固有の特徴として機能するか？
• RQ5 角運動量の取り入れにより、テヴスケールブラックホールの生成および崩壊ダイナミクスはどのように変化するか？

主な発見

• D=10ブラックホールにおける回転状態では、m>0モードでスーパー放射が確認され、ω < mΩ の低周波数領域で負の灰色体因子が観測された。
• (l,m)=(1,1)モードの灰色体因子は、非回転状態(a=0)と回転状態(a=1)で明確な差を示しており、角度非等方性が確認された。
• 回転により、スカラー場が固有のスピンを持たないにもかかわらず、スカラー場放射の角度分布が非自明なものとなることが明らかになった。これはブラックホールの角運動量の独自の特徴である。
• D=10の場合、a=1.0におけるスーパー放射の解析的基準Γ ∝ ω − mΩ < 0 が数値的に確認された。
• D=5における低エネルギー近似との整合性が確認され、手法の信頼性が裏付けられた。
• 本フレームワークにより、すべてのモードにわたる式(7)の完全積分を用いた、ブラックホールのスピンダウンおよび質量損失の今後の高精度なモデル化が可能になった。