[論文レビュー] Gibbons-Maeda-Garfinkle-Horowitz-Strominger Black Holes as Particle Accelerators to Arbitrarily High Energy

Parthapratim Pradhan|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、無限遠方の静止状態から自由落下する2つの中性粒子がホライズン付近で衝突する場合、極端なギブンズ＝マウド＝ガルフィルク＝ホリューズトローバー＝ストロミンジャー（GMGHS）ブラックホールが、中心質量系（CM）エネルギーを任意に高くすることができる、という事実を示している。シュバルツシルトやライスナー＝ノールストロームブラックホールとは異なり、この発散は粒子の角運動量の微調整を必要としない。特に、ISCO、光子軌道、および限界束縛軌道がすべて r = 2M に一致する点で顕著である。

ABSTRACT

We show that an extremal Gibbons-Maeda-Garfinkle-Horowitz-Strominger black hole may act as a particle accelerator with arbitrarily high energy when two uncharged particles falling freely from rest to infinity on the near horizon. We show that the center of mass energy of collision independent of the extreme fine tuning of the angular momentum of the colliding particles. We further show that the center of mass energy of collisions of particles at the ISCO ($r_{ISCO}$) or at the photon orbit ($r_{ph}$) or at the marginally bound circular orbit ($r_{mb}$) i.e. at $r \equiv r_{ISCO}=r_{ph}=r_{mb}=2M$ could be arbitrarily large for the aforementioned spacetimes, which is different from Schwarzschild and Reissner-Nordstrom spcetimes. For non-extremal GMGHS spacetimes the CM energy is finite and depends upon the asymptotic value of the dilation field ($\phi_{0}$).

研究の動機と目的

• 極端なGMGHSブラックホールが、任意に高い中心質量系エネルギーを持つ自然な粒子加速器として機能できるかどうかを調査すること。
• 高エネルギー衝突現象が、粒子の角運動量の微調整に依存するかどうかを特定すること。
• 極端なGMGHS時空において、主要な半径（ISCO、光子軌道、限界束縛軌道）におけるCMエネルギーの振る舞いを分析すること。これらすべてが r = 2M に位置する。
• 極端なGMGHS時空と非極端なGMGHS時空におけるCMエネルギーの挙動を比較し、特に漸近的希釈場 φ₀ の役割を強調すること。

提案手法

• 本研究では、極端なGMGHS時空において、無限遠方の静止状態から自由落下する中性粒子の測地線方程式を用いる。
• 半径 r = r_ISCO = r_ph = r_mb = 2M における2粒子衝突の中心質量系エネルギー（E_cm）を計算する。
• 希釈場を含むGMGHS計量の正確な解を用い、ブラックホールが極端に近づく極限を分析する。
• 非極端な場合におけるE_cmが漸近的希釈場φ₀にどのように依存するかを評価する。
• ホライズン構造と r = 2M 近傍における粒子軌道の振る舞いを分析し、E_cmの発散を説明する。
• 本稿は、シュバルツシルトおよびライスナー＝ノールストローム時空における既知の挙動と対比させることで、GMGHSブラックホールの特異性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極端なGMGHSブラックホールは、ホライズン付近の粒子衝突において、任意に高い中心質量系エネルギーを生じさせることができるか？
• RQ2 GMGHS時空におけるE_cmの発散は、他のブラックホールモデルとは異なり、粒子の角運動量の微調整を必要としないのか？
• RQ3 極端なGMGHS時空において、ISCO、光子軌道、および限界束縛円軌道におけるE_cmの振る舞いは何か。これらすべてが r = 2M に位置する。
• RQ4 非極端なGMGHS時空における中心質量系エネルギーはどのように異なるのか。また、漸近的希釈場φ₀はどのような役割を果たすか？
• RQ5 なぜ極端なGMGHSブラックホールは r = 2M で任意に高いCMエネルギーを許容するのに対し、シュバルツシルトおよびライスナー＝ノールストロームブラックホールではそうではないのか？

主な発見

• 極端なGMGHSブラックホールのホライズン付近における衝突粒子の中心質量系エネルギーは、粒子の角運動量の微調整がなくても、任意に大きくできる。
• r = 2M において、極端なGMGHS時空ではISCO、光子軌道、および限界束縛軌道が一致するが、自由落下する粒子のCMエネルギーは発散する。
• r = 2M におけるE_cmの発散は、極端なGMGHS計量の特徴的な構造と、ホライズン付近における希釈場の振る舞いに起因する。
• 非極端なGMGHS時空では、CMエネルギーは有限であり、漸近的希釈場φ₀に明示的に依存する。
• 極端なGMGHSブラックホールにおける高エネルギー衝突メカニズムは、シュバルツシルトおよびライスナー＝ノールストローム時空とは本質的に異なり、これらの半径でE_cmの発散は発生しない。
• 結果から、極端なGMGHSブラックホールは、高エネルギー物理学およびブラックホールの素性論的応用に向けた自然で頑健な粒子加速器であることが示唆される。