[論文レビュー] From Black Holes to Baby Universes: Exploring the Possibility of Creating a Cosmos in the Laboratory

Stefano Ansoldi, Zeeya Merali+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー粒子加速器内や真空中で自然に発生する量子トンネル効果を通じて、自己完結的でインフレーションする時空領域（いわゆるベビー宇宙）を生成する理論的可能성을検討する。宇宙が偽真空の崩壊によって誘発され、特異な粒子や負のエネルギー物質によって引き起こされる場合、ミニブラックホールとは区別可能な兆候を示す可能性があり、量子重力統一の検証可能な道筋を提供する。

ABSTRACT

We discuss the essential features of baby-universe production, starting from a description of black holes and wormholes, in terms of the causal structure of spacetime, and following a qualitative review of the connection between vacuum decay and inflation in early universe cosmology. Related open questions are also addressed, especially in connection with the possibility that baby universes could be formed within our present universe - either in a future particle accelerator, or spontaneously.

研究の動機と目的

• 高エネルギー粒子加速器を用いた実験的環境で、ベビー宇宙を生成する理論的妥当性を調査すること。
• 偽真空の崩壊と量子トンネル効果が、ベビー宇宙生成を引き起こす役割を検討すること。
• 量子真空内でベビー宇宙が自然に生成可能かどうかを評価し、量子重力に与える意味を検討すること。
• 通常のミニブラックホールとは異なった観測的兆候を、実験的に生成されたベビー宇宙と区別すること。
• トンネル効果によるベビー宇宙生成の文脈で、ワームホール、ブラックホール、時空の因果的構造との関連を検討すること。

提案手法

• 時空の因果的過去・未来の概念を用いて、ブラックホールやワームホールを定義するための因果的構造の分析。
• 一般相対性理論と量子場理論の枠組みを適用し、ブラックホールまたはワームホールの生成を伴う時空トンネルをモデル化すること。
• ベビー宇宙生成後の急加速的膨張を説明するインフレーション理論を、メカニズムとして用いること。
• 偽真空状態と量子トンネル効果が、高エネルギーの種からベビー宇宙の誕生を誘発する役割を検討すること。
• 通常のミニブラックホールとは異なるHawking放射の兆候を用いて、ベビー宇宙の検出可能性を評価すること。
• 粒子加速器内でのベビー宇宙生成のための、特異物質やモノポールの有効性を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の粒子加速器で、偽真空状態からの量子トンネル効果によってベビー宇宙を生成できるか？
• RQ2 特にHawking放射の観点から、ベビー宇宙と通常のミニブラックホールの物理的兆候にどのような相違があるか？
• RQ3 量子真空内でベビー宇宙が自然に生成可能であり、その場合の量子重力への意味は何か？
• RQ4 ワームホールとブラックホールが、時空トンネルを通じてベビー宇宙生成の「入口」として果たす役割は何か？
• RQ5 アインシュタイン空間に近い時空において、ブラックホール質量に制限を課す「ノー・ゴー定理」を回避できる条件は何か？

主な発見

• ベビー宇宙は、モノポールや負のエネルギー物質のような特異粒子を含む高エネルギー衝突によって誘発される偽真空状態からの量子トンネル効果によって生成される可能性がある。
• ベビー宇宙生成プロセスはインフレーション機構と関連しており、新生じた時空領域は急速に膨張し、親宇宙とは因果的に分離される。
• Hawking放射の放射率の差異が、粒子加速器内でのベビー宇宙検出を可能にし、通常のミニブラックホールと区別可能である。
• 量子真空内での自発的ベビー宇宙生成は、量子場理論（量子重力を含む）における紫外正則化のメカニズムを提供する可能性がある。
• 巨大な原始ブラックホールは、宇宙論的背景で形成された場合、内部に自然にベビー宇宙を含んでいる可能性があり、標準的な質量制限の定理を回避する。
• 現在の粒子加速器（例：LHC）は、ストリング理論効果がプランクスケールで重力を強化する場合を除き、ベビー宇宙生成に必要なエネルギーに達しない。