[論文レビュー] Bounds on Photon Charge from Evaporation of Massive Black Holes

C. Sivaram, Kenath Arun|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、宇宙論的時間スケールにわたる電荷保存の原則を用いて、質量があり電荷を帯びたブラックホールのホーキング放射による蒸発を分析することで、仮説的な光子の電荷に関する新たな上界を導出している。光子が非ゼロの電荷を有する場合、期待される蒸発過程が破綻し、結果として光子電荷の上界は約10^{-42} eにまで厳しく制限される。これは従来の制約よりも著しくきびしい。

ABSTRACT

Photon charge has been of interest as a phenomenological testing ground for basic assumptions in fundamental physics. There have been several constraints on the photon charge based on very different considerations. In this paper we put further limits based on the well known properties of charged black holes and their subsequent evaporation by Hawking radiation and the assumption of charge conservation over this long physical process.

研究の動機と目的

• 量子場理論および電磁気学における基本的パrameterである光子の電荷を制約すること。
• 非ゼロの光子電荷が、ホーキング放射による質量的で電荷を帯びたブラックホールの蒸発に与える影響を調査すること。
• ブラックホールの蒸発にわたる長時間スケールにおける電荷保存を適用することで、光子電荷のよりきびしい境界を導出すること。
• 一般相対性理論と曲がった時空における量子場理論を用いた、画期的な天体物理学的制約を提供すること。

提案手法

• ブラックホールの蒸発を研究するため、質量的で回転しない電荷を帯びた物体（ライスナー＝ノルストローム幾何学）としてモデル化する。
• 全蒸発過程にわたる電荷保存の原則を適用し、最終状態が中性であると仮定する。
• 既知のホーキング放射スペクトルを用いて、ブラックホールからのエネルギーおよび電荷損失の割合を計算する。
• 蒸発中に放出される総電荷がブラックホールの初期電荷と一致するようにすることで、光子電荷の境界を導出する。
• ブラックホール質量、電荷、蒸発時間スケールとの関係を用いて、許容可能な最大光子電荷を推定する。
• 得られた不等式を解くことで、光子が放射に寄与する唯一の charged 粒子であると仮定した場合の光子電荷の上界を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量的ブラックホールのホーキング蒸発中に電荷が保存されるという要請から、光子電荷に導ける上界は何か？
• RQ2 非ゼロの光子電荷を仮定すると、電荷を帯びたブラックホールの予想される蒸発ダイナミクスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 ブラックホール蒸発の天体物理学的観測を用いて、光子の電磁的性質を制約できるか？
• RQ4 質量的ブラックホールの観測または理論的に予想される蒸発時間スケールと整合する最大の光子電荷は何か？
• RQ5 この制約は、他の既存の実験的および理論的光子電荷制約と比較してどうなるか？

主な発見

• 論文は、ブラックホールの蒸発中の電荷保存に基づき、光子電荷の上界が約10^{-42} eであると導出している。
• これは、実験室実験や原子物理学から得られた従来の制約よりも著しくきびしい。
• 導出では、光子がホーキング放射に寄与する唯一の charged 粒子であり、全蒸発過程にわたる電荷保存が成り立つと仮定している。
• 初期ブラックホール質量に依存しない。ただし、十分に大きな質量で長時間の蒸発スケールを持つ場合に限る。
• 非ゼロの光子電荷は極めて小さくなければならないことを示しており、標準模型における中性光子の仮定と整合している。
• 本手法は、素粒子物理学および宇宙論の既存の制約を補完する、画期的な天体物理学的根拠に基づく制約を提供する。