[論文レビュー] Black Holes at IceCube

Luis A. Anchordoqui, Matthew M. Glenz+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー宇宙線ニュートリノがワクスマン＝バハールのフラックスで南極氷床に毎日生成する量子重力的ブラックホールが、アイスキューブ実験でそのハーキング放射によって検出可能であると提唱している。非弾性性をブラックホール生成に組み込み、ハーキングスペクトルの相対論的ブーストを考慮することで、著者らは、ブラックホール崩壊に伴い生成されるソフトミューオンが、最大約1.3 TeVの量子重力スケールまで5σの発見信号をもたらす可能性を示している。

ABSTRACT

If the fundamental Planck scale is about a TeV and the cosmic neutrino flux is at the Waxman-Bahcall level, quantum black holes are created daily in the Antarctic ice-cap. We re-examine the prospects for observing such black holes with the IceCube neutrino-detection experiment. To this end, we first revise the black hole production rate by incorporating the effects of inelasticty, i.e., the energy radiated in gravitational waves by the multipole moments of the incoming shock waves. After that we study in detail the process of Hawking evaporation accounting for the black hole's large momentum in the lab system. We derive the energy spectrum of the Planckian cloud which is swept forward with a large, O (10^6), Lorentz factor. (It is noteworthy that the boosted thermal spectrum is also relevant for the study of near-extremal supersymmetric black holes, which could be copiously produced at the LHC.) In the semiclassical regime, we estimate the average energy of the boosted particles to be less than 20% the energy of the neutrino-progenitor. Armed with such a constraint, we determine the discovery reach of IceCube by tagging on "soft" (relative to what one would expect from charged current standard model processes) muons escaping the electromagnetic shower bubble produced by the black hole's light descendants. The statistically significant 5-sigma excess extends up to a quantum gravity scale ~ 1.3 TeV.

研究の動機と目的

• 宇宙ニュートリノがアイスキューブ検出器で生成する量子ブラックホールの検出可能性を評価すること。
• ショック波の多重極モーメントに起因する重力波放射によるエネルギー損失を含めた、ブラックホール生成における非弾性性を考慮すること。
• ブラックホールの大きな運動量を持つ相対論的フレームにおけるハーキング蒸発をモデル化し、ブーストされた熱的スペクトルを導出すること。
• ブラックホール崩壊生成物の電磁シャワー・バブルから脱出するソフトミューオンを、検出可能なシグナルとして特定すること。
• アイスキューブで統計的に有意な5σ信号として検出可能な、量子重力スケールの上限を特定すること。

提案手法

• 衝突過程における重力波放射に起因する非弾性効果を組み込んだ、ブラックホール生成レートの再考。
• ブラックホールがローレンツ因子 ~10^6 で運動するフレームにおけるハーキング放射スペクトルを、実験フレーム（ラボフレーム）に変換する相対論的運動学の適用。
• 相対論的ドップラー効果を考慮した、ブーストされたプランク的雲が放出するエネルギースペクトルの導出。
• ラボフレームにおける放出粒子の平均エネルギーを推定し、元のニュートリノエネルギーの20%未満であることを示すこと。
• 標準模型のcharged current反応と比較して著しく低いエネルギーを持つミューオンをタグする戦略に基づく検出手法の設計。
• 統計的有意性（5σ）を用いて、検出可能なブラックホール信号の量子重力スケールの上限を決定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーニュートリノ衝突における非弾性性は、量子ブラックホール生成レートにどのような影響を及えるか？
• RQ2 ブラックホールの大きなローレンツブーストは、ラボフレームでの観測されたハーキング放射スペクトルにどのように影響するか？
• RQ3 ブーストされた熱的スペクトルは、アイスキューブでソフトミューオンのシグナルを通じて検出可能な信号を生じうるか？
• RQ4 与えられた仮定のもとで、アイスキューブでブラックホールの5σ発見が可能な最大の量子重力スケールは何か？
• RQ5 崩壊生成物のエネルギー分布は、標準模型の期待値と比較してどのように異なり、特徴的なシグナルを可能にするか？

主な発見

• 非弾性性の取り入れにより、ブラックホール生成に利用可能な有効エネルギーが減少し、生成断面積が変化する。
• ラボフレームにおけるハーキング放射スペクトルは強くブーストされ、ローレンツ因子O(10^6)のため、前方に集中したコーン状に放出される。
• ラボフレームにおける放出粒子の平均エネルギーは、元のニュートリノエネルギーの20%未満であり、ソフトスペクトルを示す。
• 標準模型の過程と比較して著しく低いエネルギーを持つソフトミューオンは、ブラックホール崩壊の特徴的なシグナルとして機能する。
• ソフトミューオンイベントにおける統計的に有意な5σの過剰は、約1.3 TeVの量子重力スケールまで達成可能である。
• 発見範囲は、ブーストされたハーキングスペクトルのエネルギー抑制と、標準模型プロセスからのバックグラウンドによって制限される。