[論文レビュー] Neutrino-induced Collapse of Bare Strange Stars Via TeV-scale Black Hole Seeding

P. W. Gorham, J. G. Learned+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2002

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、裸の素粒子星における超高エネルギーニュートリノによる種付けられたテヴスケールのブラックホールが、降着がホーキング放射を上回る場合、崩壊を引き起こす可能性があると提唱している。観測された素粒子星候補の長寿命性から、2つの追加次元までで約2 TeV未満のプランクスケールは除外され、低スケール重力のモデルが制約を受ける。

ABSTRACT

There is increasing observational evidence for the existence of strange stars: ultra-compact objects whose interior consists entirely of deconfined quark matter. If confirmed, their existence places constraints on the rate of formation of microscopic black holes in models which invoke a TeV-scale Planck mass. In such models, black holes can form with ~TeV masses through nuclear interactions of particles with PeV and greater energies. Once formed, these black hole states are unstable to Hawking radiation, and rapidly decay. However, if such a black hole forms in the interior of a strange star, the density is high enough that the decay may be counterbalanced by accretion, and the black hole can grow, leading to subsequent catastropic collapse of the star. A guaranteed source of ultra-high energy particles is provided by the cosmogenic Greisen neutrinos, as well as by ultra-high energy cosmic rays, and the implied lifetimes for strange stars are extremely short, contrary to observations. The observed lifetimes of strange star candidates thus effectively exclude Planck mass scales of less than ~2 TeV with comparable black hole masses, for up to 2 extra dimensions. Seeding of strange star collapse in scenarios with a larger number of extra-dimensions or with higher mass black holes remains a possibility, and may provide another channel for the origin of gamma-ray bursts.

研究の動機と目的

• 超高エネルギーニュートリノが裸の素粒子星にテヴスケールブラックホールを種付けし、それらの崩壊を引き起こすかどうかを調査すること。
• 観測された素粒子星候補の安定性に基づいて、低スケール重力（テヴスケールプランク質量）モデルの妥当性を評価すること。
• 観測された素粒子星の寿命を用いて、基礎的プランクスケールおよび追加次元の数に宇宙論的制約を課すこと。
• 素粒子星におけるブラックホールの種付けが、ガンマ線バーストの起源を説明できるかどうかを評価すること。
• 密度の高い星間環境における、ランナウェイ的ブラックホール成長を引き起こすために必要な最小ニュートリノエネルギーを特定すること。

提案手法

• シュバルツシルト半径の二乗に比例する幾何的断面積を用いて、素粒子星内の超高エネルギーニュートリノと核子の高エネルギー衝突によるブラックホール形成をモデル化する。
• ホーキング放射の崩壊率を適用し、密度の高いクォーク物質環境におけるブラックホールの蒸発 timescale を推定する。
• ブラックホールの成長のためには降着が蒸発を上回らなければならないという条件を、ブラックホール温度と星の環境温度のエネルギーバランスから導出する。
• 追加次元と星の温度に依存する、ランナウェイ的成長のための臨界ニュートリノエネルギー閾値（式5）を導出する。
• 期待されるGZKニュートリノフラックス（最大10^20.5 eV）を用いて、閾値条件を逆算し、予想される素粒子星の寿命を推定する。
• 予測された崩壊時間と観測された素粒子星候補の寿命（≥10^6 年）を比較し、基礎的プランクスケールを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギーニュートリノによって素粒子星に形成されたテヴスケールブラックホールが、ホーキング放射よりも降着によって成長する可能性はあるか？
• RQ2 与えられた内部温度を持つ素粒子星において、ランナウェイ的ブラックホール成長を開始するために必要な最小ニュートリノエネルギーは何か？
• RQ3 観測された素粒子星候補の長寿命性は、追加次元を含むモデルにおける基礎的プランクスケールにどのような制約を課えるか？
• RQ4 素粒子星におけるブラックホールの種付けは、観測されたガンマ線バーストの発生率をどの程度説明できるか？
• RQ5 GZKニュートリノフラックスは、素粒子星の安定性および低スケール重力モデルの妥当性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• n ≤ 2の追加次元および1 TeVのプランクスケールにおいて、ランナウェイ的ブラックホール成長に必要な最小ニュートリノエネルギーは、n=1では2.5×10^16 eV、n=4では4×10^25 eVであり、GZKニュートリノフラックスはn≤2の領域をカバーする。
• ブラックホール種付けによって引き起こされる素粒子星の予想寿命は数年未塔であり、数百万年以上にわたって観測された寿命と矛盾する。
• この矛盾から、2つの追加次元までで、約2 TeV未塔の基礎的プランクスケールは、観測された素粒子星候補の安定性に基づいて除外される。
• ブラックホール質量の変動（約80 TeVまで）に対してこの制約は頑健であり、カルツァ＝クライン重力子の放出や崩壊過程に依存しない。
• 追加次元の数が多かったり、ブラックホール質量が高かったりする場合には、ブラックホール種付けは依然として有効なメカニズムであり、ガンマ線バーストの起源を説明できる可能性がある。
• n=2ではプランクスケールに約2 TeVの下限が設定され、仮定されたニュートリノフラックスおよび星の温度に応じてn=1に対してもより高い下限が得られる可能性がある。