[論文レビュー] Dark Matter Hawking Radiation? Dark Spinors Tunnelling in String Theory Black Holes

R. T. Cavalcanti, Roldão da Rocha|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2015

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、標準模型を超える粒子としての質量次元1のスピン1/2のダークフェルミオン（暗黒物質の候補）が、Kerr-Sen軸子・ダイロンブラックホールからトンネル効果によってホーキング放射を放出するかを調査する。トンネル効果形式を用いて、このような粒子が事象の地平線を越えて熱的に放射することを示し、標準模型を超えた粒子に対してもブラックホール放射の普遍性が拡張されることを示している。

ABSTRACT

The Hawking radiation spectrum of Kerr-Sen axion-dilaton black holes is derived, in the context of dark spinors tunnelling across the horizon. Since a black hole has a well defined temperature, it should radiate in principle all the standard model particles, similar to a black body at that temperature. We investigate the tunnelling of mass dimension one spin-1/2 dark fermions, that are beyond the standard model and are prime candidates to the dark matter. Their interactions with the standard model matter and gauge fields are suppressed by at least one power of unification scale, being restricted just to the Higgs field and to the graviton likewise. The tunnelling method for the emission and absorption of mass dimension one particles across the event horizon of Kerr-Sen axion-dilaton black holes is shown here to provide further evidence for the universality of black hole radiation, further encompassing particles beyond the standard model.

研究の動機と目的

• 質量次元1のスピン1/2のダークフェルミオン（暗黒物質の候補）が、Kerr-Sen軸子・ダイロンブラックホールの事象の地平線をトンネルで越えることができるかどうかを調査すること。
• 標準模型を超えた粒子、特にヒッグスおよび重力子との結合が抑制された粒子に対しても、ホーキング放射の普遍性を拡張すること。
• このようなダークフェルミオンが、ブラックホール熱力学に一致する熱的スペクトルで放射することを示すこと。
• このトンネル効果プロセスが、ストリング理論フレームワークにおける暗黒物質検出およびブラックホール蒸発に与える影響を調査すること。

提案手法

• トンネル効果法を用いて、Kerr-Sen軸子・ダイロンブラックホールの事象の地平線を越えて質量次元1のスピン1/2のダークフェルミオンが放出・吸収する確率を計算する。
• 曲がった時空におけるスピン1/2粒子のディラック方程式を解くために、ハミルトニアン＝ヤコビのアンザッツを用い、トンネル振幅に注目する。
• 作用の虚数部を抽出してトンネル率を決定し、これをホーキング温度に関連付ける。
• 理論的制約に従い、ダークフェルミオンの相互作用がヒッグス場および重力子に制限される、抑制された結合をこの手法が取り入れている。
• 低エネルギー有効ストリング理論から生じるKerr-Senブラックホールの幾何を組み込む。
• 得られた放射スペクトルが熱的分布に従うことが示され、これらのダークフェルミオンに対するホーキング放射の普遍性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量次元1のスピン1/2のダークフェルミオンは、Kerr-Sen軸子・ダイロンブラックホールの事象の地平線をトンネルで越えることができるか？
• RQ2 これらのダークフェルミオンのトンネル効果プロセスは、ホーキング放射に一致する熱的スペクトルを生成するか？
• RQ3 ヒッグスおよび重力子に限定されたダークフェルミオンの抑制された結合は、そのトンネル率および放射スペクトルにどのように影響するか？
• RQ4 このトンネルメカニズムは、標準模型を超えた粒子に対してもブラックホール放射の普遍性をどの程度支持するか？
• RQ5 この放射がブラックホールの蒸発および暗黒物質の直接検出可能性に与える影響は何か？

主な発見

• Kerr-Sen軸子・ダイロンブラックホールの事象の地平線を越えて質量次元1のスピン1/2のダークフェルミオンがトンネルするプロセスは、熱的スペクトルを生成する。
• 放射温度はブラックホールのホーキング温度と一致しており、このダークフェルミオンに対するブラックホール放射の普遍性が裏付けられた。
• ダークフェルミオンがヒッグスおよび重力子場とのみ相互作用するにもかかわらず、放出プロセスはブラックボディ放射と整合的である。
• トンネル率は作用の虚数部から導出され、熱的分布に対応する確率が得られた。
• 結果は、ブラックホールが標準模型の粒子だけでなく、結合が抑制されたダークフェルミオンのような暗黒物質候補も放射できることを支持する。
• 本研究は、天体的ブラックホールからのホーキング放射を通じた暗黒物質の間接的検出が理論的に可能であるという枠組みを提供している。