[論文レビュー] Evaporating primordial black holes, the string axiverse, and hot dark radiation

Marco Calzà, John March-Russell+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、質量が約10^11–10^12 kgの蒸発中の原始ブラックホール（PBHs）が、スカラーモード（l=0）による放射によって角運動量を保存するため、アキソン類粒子（ALPs）を多数放出することで、ストリング理論のアキソン・アキスバースを独自の手段で探査可能であると提唱している。この過程で発生するALPsの放出は、PBHのスピンを維持する。その結果生じるPBHのスピン分布、特に漸近的スピンパラメータa* ≈ 0.555に近づく傾向は、将来のガンマ線望遠鏡によって測定可能であり、弱い結合であっても、基礎理論における軽量ALPsの総数を直接的かつモデルに依存しない方法で探査可能である。

ABSTRACT

We show that primordial black holes (PBHs) develop non-negligible spins through Hawking emission of the large number of axion-like particles generically present in string theory compactifications. This is because scalars can be emitted in the monopole mode ($l=0$), where no angular momentum is removed from the BH, so a sufficiently large number of scalars can compensate for the spin-down produced by fermion, gauge boson, and graviton emission. The resulting characteristic spin distributions for $10^8$-$10^{12}$ kg PBHs could potentially be measured by future gamma-ray observatories, provided that the PBH abundance is not too small. This yields a unique probe of the total number of light scalars in the fundamental theory, independent of how weakly they interact with known matter. The present local energy density of hot, MeV-TeV, axions produced by this Hawking emission can possibly exceed $ρ_{ m CMB}$. Evaporation constraints on PBHs are also somewhat weakened.

研究の動機と目的

• ストリング理論のコンactificationにおける軽量アキソン類粒子（ALPs）の総数を、原始ブラックホール（PBHs）からのハーキング放射によって特定できるかを調査すること。
• フェルミオン、ゲージボソン、重力子からのスピンダウンと対照的に、スカラーモード（l=0）の放射がPBHスピンに与える影響を、蒸発過程におけるスピン進化を特に注目して探ること。
• HARPO や e-ASTROGAM などの将来のガンマ線望遠鏡を用いて、PBHおよびそれに関連する光子とALPのフラックスの検出可能性を評価すること。
• PBHの蒸発によって生成される、熱的でMeV–TeVのALPsの局所エネルギー密度が、CMBエネルギー密度を超える可能性があるかを評価すること。
• PBHの放射の観測された光子スペクトルおよび時間的変化が、相互作用強度に依存せずにALPsの数と結合定数を独立に制約できるかを検討すること。

提案手法

• ハーキング放射下でのPBHスピン進化をモデル化し、フェルミオン、ゲージボソン、重力子からのl≥1モードによるスピンダウンと、スカラーモード（l=0）によるALPs放射によるスピン保存のバランスに注目する。
• TCH（テイラー＝チャムバーズ＝ヒスコーク）フレームワークを用いて、PBHがスカラーモードのみで蒸発する場合の漸近的スピンパラメータa* ≈ 0.555を計算し、N_a個のALPsを含めた拡張も行う。
• 主な光子放射率を、d²Nγ/dtdEγ = (1/2π)Σ_{l,m} [Γ_{1,l,m}(ω)/(e^{2πω/κ}−1)] という式を用いて導出する。ここでω = Eγ であり、κは表面重力である。
• 単一のPBHから放出されるALPsの統合フラックスを、スピン範囲内で有効である ~3×10²² N_a (10¹⁰ kg/M) s⁻¹ として推定する。
• HARPO や e-ASTROGAM などの機器の感度限界と予測された光子スペクトルおよびフラックスを比較することで、将来のガンマ線望遠鏡による検出可能性を評価する。
• 特にGUTスケール未満の減少した崩壊定数 f_a を持つALPsが、光子対への崩壊から二次的光子放射が発生する可能性を評価する。

Figure 1: Present PBH spin, $a_{*0}$ , as a function of their present mass, $M_{0}$ , for an initial population with spin $a_{*}=0.01$ and varying mass. Curves labelled by number of light ALPs.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蒸発中の原始ブラックホール（PBHs）のスピン分布は、ストリング理論のアキソン・アキスバースにおける軽量アキソン類粒子（ALPs）の総数を、独自でモデル依存のない方法で探査できるか？
• RQ2 ハーキング放射におけるスカラーモード（l=0）の放射が、フェルミオンやゲージボソン、重力子からのスピンダウンをどれほど補償できるか？
• RQ3 将来のガンマ線望遠鏡が、PBHからの一次的および二次的光子スペクトルを十分な精度で検出できるか。その結果、PBHスピンを測定し、ALPsの数N_aを推定できるか？
• RQ4 PBHの蒸発によって生成される熱的でMeV–TeVのアキソンの局所エネルギー密度はどの程度か。CMBエネルギー密度を超える可能性はあるか？
• RQ5 ALPsの放射によって駆動されるPBHの全放射度およびスペクトル形状の時間的変化が、時間経過に伴うPBHの検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 質量が約10^11–10^12 kgで、今日蒸発を進行中のPBHは、l=0モードで角運動量を運ばない多数のアキソン類粒子（ALPs）を放出することで、非可視なスピンを獲得する可能性がある。
• スカラーモードのみで蒸発するPBHの漸近的スピンパラメータはa* ≈ 0.555に近づき、その値はALPsの数が閾値（例：N_a ≥ 32）を超える限り、有限個のALPsでも達成可能である。
• PBHからの一次的光子スペクトルはスピンに強く依存しており、ピークエネルギーは主に質量に依存し、スペクトル形状はスピンによって強く変調される。これにより、高分解能ガンマ線分光法でスピンを約10%の精度で測定可能である。
• PBHの蒸発によって生成される熱的ALPsの局所エネルギー密度は、CMBエネルギー密度を超える可能性があり、特にN_aが大きいPBHでは、ビッグバン核合成（BBN）やCMBに関する従来の相対的自由度の制約が弱まる。
• 多数のALPsが存在する場合、ハーキング温度および光子フラックスの時間的変化が加速され、複数の観測エポックでの個々のPBH観測によりN_a ≠ 0を動的シグネチャとして確認できる。
• 約200–300 km/sで運動する近傍銀河ホールドPBHの集団は、数年に一度のスケールで蒸発状態を変化させ、異なる段階での観測確率を高め、ALPs誘発スペクトル特徴の完全な特徴化を可能にする。

Figure 2: As Figure 1 except initial spin parameter $a_{*}=0.99$ .