[論文レビュー] On the potential catastrophic risk from metastable quantum-black holes produced at particle colliders

R. Plaga|ArXiv.org|Aug 10, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、加速器で生成されるメタ安定量子ブラックホールの深刻な成長リスクを調査し、ホーキング放射の強度を低下させるマイクロカノニカル熱力学モデルを提案する。このモデルでは、長期間にわたる吸収が可能になる。研究は、従来の天体物理学的リスク回避根拠が、このモデル下では成立しないことを示し、現在の実験的制限内にあるL > 15.3 μmの値が、ブラックホールの深刻な成長を可能にする。これは、Giddings & Mangano や Koch らによる従来のリスク除外を疑問視するものである。

ABSTRACT

The question of whether collider produced of subnuclear black holes might constitute a catastrophic risk is explored in a model of Casadio & Harms (2002) that treats them as quantum-mechanical objects. A plausible scenario in which these black holes accrete ambient matter at the Eddington limit shortly after their production, thereby emitting Hawking radiation that would be harmful to Earth and/or CERN and its surroundings, is described. Such black holes are shown to remain undetectable in existing astrophysical observations and thus evade a recent exclusion of risks from subnuclear black holes by Giddings & Mangano (2008) and and a similar one by Koch et al. (2009). I further question that these risk analyses are complete for the reason that they exclude plausible black-hole parameter ranges from safety consideration without giving any reason. Some feasible operational measures at colliders are proposed that would allow the lowering of any remaining risk probability. Giddings & Mangano drew different general conclusions only because they made different initial assumptions about the properties of microscopic black holes, not because any of their technical conclusions are incorrect. A critical comment by Giddings & Mangano (2008) on the present paper and a preprint by Casadio et al.(2009) - that presents a treatment of the present issue with methods and assumptions similar to mine - are addressed in appendices.

研究の動機と目的

• 加速器で生成されるメタ安定量子ブラックホールの深刻な成長リスクを評価し、従来の安全性分析の完全性に疑問を呈する。
• ホーキング放射を低減するブラックホールのマイクロカノニカル熱力学フレームワークを検討し、長寿命で成長を続けるブラックホールの可能性を明らかにする。
• Giddings & Mangano や Koch らの天体物理学的除外根拠が、ブラックホールの力学的挙動の違いにより、この状況には適用されないことを示す。
• 特に追加次元スケールLのパラメータ範囲を特定し、ブラックホールの成長が深刻であり続け、検出されない状態が成立する可能性を明らかにする。
• 本モデルの結果を踏まえ、ブラックホールが長寿命である場合に残存するリスク確率を低減するための加速器での運用対策を提案する。

提案手法

• 全エネルギーを保存するマイクロカノニカル熱力学モデルを量子ブラックホールに適用し、カノニカル集合に比べて低減したが非ゼロのホーキング放射をもたらす。
• Casadio & Harms (2002) の方程式を用い、ブラックホールの放射率と吸収時間スケールに基づいて、深刻な成長の臨界質量M_cを定義する。
• エディングトン吸収限界を用い、ブラックホールが最大可能速度で周囲の物質を引き寄せると仮定して、吸収時間スケールを推定する。
• Casadioらの論文における2つの別々の式（式16および式18）を用いて、追加次元スケールLの関数としてM_cを評価し、理論的仮定への感受性を示す。
• 天体物理学的制限、特にLの95%上限（L < 44 μm）と照らし合わせ、15.3 μmを超えるL値（成長が深刻化する領域）が現在の実験的限界内に残存するかを評価する。
• 従来の安全性分析におけるパラメータ範囲の除外を批判的に検討し、L > 15.3 μmの範囲を正当化せずに除外していることにより、リスク評価の完全性が損なわれていると主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロカノニカル熱力学モデル下で、加速器で生成されるメタ安定量子ブラックホールは、標準的なカノニカル集合予測とは対照的に深刻な成長を遂げられるか？
• RQ2 ホーキング放射が低減されたメタ安定ブラックホールとして扱う場合、宇宙線によって生成されたブラックホールが星を破壊するという従来の天体物理学的安全性根拠は有効であるか？
• RQ3 追加次元スケールLのどの範囲が深刻なブラックホール成長を可能にし、これは現在の実験的限界と整合的か？
• RQ4 Giddings & Mangano や Koch らの従来のリスク分析が、正当化せずにL > 15.3 μmのパラメータ範囲を除外しているのはなぜか？また、この除外が安全性結論の完全性にどのように影響するか？
• RQ5 メタ安定ブラックホールが長寿命を有する場合、加速器で設計可能な運用対策により、残存リスクを緩和できるか？

主な発見

• L > 15.3 μmの範囲では、深刻な成長の臨界質量M_cが、ホーキング崩壊が支配的になる質量以下に位置し、吸収が制限なく進行可能となる。
• L = 44 μm（現在の95%実験的上限）では、M_cは1.1 × 10⁵ kgに達し、ブラックホールの崩壊時間（0.3秒）が吸収時間スケール（0.6 msec）を上回るため、深刻な成長が可能となる。
• Casadio らの論文における別式（式16）を用いると、L = 44 μmでM_cは5.9 × 10²² kgに達し、このパrameterization下では、すべての妥当なL値で深刻な成長が成立する。
• Giddings & Mangano の天体物理学的安全性根拠は、このモデル下で失敗する。なぜなら、中間質量領域でホーキング放射が吸収を停止させるため、このようなブラックホールがすでに星を破壊していたはずという仮定が誤りとなるからである。
• 従来の安全性分析では、L > 15.3 μmのパラメータ範囲を正当化せずに除外しており、これが完全性の主張を損なっている。特に、この範囲は現在の実験的限界の5%の不確実性内にあるためである。
• 本モデルは、Casadio らのマイクロカノニカルフレームワークの妥当性を裏付け、カノニカルモデルに比べて最大17桁の長寿命を予測している。これは、10⁻²⁷秒の寿命が普遍的であるという仮定に疑問を呈する。