[論文レビュー] The Dark Dimension, the Swampland, and the Dark Matter Fraction Composed of Primordial Black Holes

Luis A. Anchordoqui, Ignatios Antoniadis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 90被引用数 61

ひとこと要約

本稿では、スワームランドプログラムとダークエネルギーの小ささを組み合わせることで予測される、隠れたミクロスケールの追加次元が、初期ブラックホール（PBH）のホーキング放射を遅くし、すべてのダークマターを占める可能性があるPBHの有効質量範囲を 10^14–10^21 g に拡張することを提案する。さらに、10^12 g 前後のPBHが銀河中心の 511 keV ガンマ線線を説明できる可能性があることを示している。

ABSTRACT

Very recently, it was suggested that combining the Swampland program with the smallness of the dark energy and confronting these ideas to experiment lead to the prediction of the existence of a single extra-dimension (dubbed the dark dimension) with characteristic length-scale in the micron range. We show that the rate of Hawking radiation slows down for black holes perceiving the dark dimension and discuss the impact of our findings in assessing the dark matter fraction that could be composed of primordial black holes. We demonstrate that for a species scale of ${\cal O}(10^{10}~{ m GeV})$, an all-dark-matter interpretation in terms of primordial black holes should be feasible for masses in the range $10^{14} \leq M_{BH}/{ m g}\leq 10^{21}$. This range is extended compared to that in the 4D theory by 3 orders of magnitude in the low mass region. We also show that PBHs with $M_{ m BH} \sim 10^{12}~{ m g}$ could potentially explain the well-known Galactic 511 keV gamma-ray line if they make up a tiny fraction of the total dark matter density.

研究の動機と目的

• スワームランドプログラムが予測するミクロスケールの追加次元が、PBHの蒸発レートに与える影響を評価すること。
• 高次元重力の下で、PBHがダークマター候補として有効な質量範囲を再評価すること。
• 質量が約 10^12 g のPBHが、銀河中心から観測された 511 keV ガンマ線線を説明できるかどうかを検証すること。
• 種のスケール（約 10^10 GeV）がPBHの安定性およびダークマター制約に与える影響を検討すること。

提案手法

• スワームランドの予想と観測的制約から導かれる、約 1 µm の1つの追加次元を有する5次元有効場理論を用いる。
• 5次元における修正されたホーキング放射レートを適用し、ダーク次元がブラックホールのエントロピーおよび放射スペクトルに与える影響によって放射率が低下することを示す。
• 銀河間ガンマ線背景、CMB、微小強度レンズ効果、および陽電子測定からの制約を用いて fPBH を制限する。
• 5次元ブラックホール蒸発モデルに種のスケール  ˆM ~ 10^10 GeV を統合し、安定な質量窓を特定する。
• INTEGRALデータからの 511 keV 線を分析し、PBH寄与の妥当性を検証する。
• 追加次元の大きさを固定するため、中性子星の加熱および宇宙線スペクトルの急峻カットオフとの整合性チェックを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミクロスケールの追加次元が、5次元における初期ブラックホールのホーキング放射レートにどのように影響するか？
• RQ2 5次元において種のスケールが約 10^10 GeV の場合、すべてのダークマターを占めるPBHの拡張された質量範囲は何か？
• RQ3 質量が約 10^12 g のPBHが、銀河中心から観測された 511 keV ガンマ線線を説明できるか？
• RQ4 CMB、ガンマ線背景、および微小強度レンズ効果からの制約が、5次元モデルにおける許容される fPBH をどのように規定するか？
• RQ5 この枠組みにおいて、降着がPBHがダークマター候補としての有効性をどのように拡張するか？

主な発見

• ダーク次元の影響により、5次元ブラックホールにおけるホーキング放射のレートが低下し、寿命が延びる。
• PBHがすべてのダークマターを占める有効質量範囲は 10^14–10^21 g に拡張され、4次元と比較して低質量側で3桁の拡張が達成される。
• 質量が約 10^12 g のPBHが、全ダークマター密度のわずかな割合（約 10^-10）を占める場合、511 keV ガンマ線線を説明できる。
• 種のスケール ˆM ~ 10^10 GeV は、中性子星の加熱および宇宙線スペクトルからの観測的制約と整合的である。
• 銀河間ガンマ線背景およびCMBからの制約は、5次元モデルにおいて拡張されたPBH質量範囲に対して満たされる。
• 現在の宇宙時代におけるダークマターのPBHへの降着は、無視できるほど小さいため、質量関数や蒸発制約に顕著な影響を及ぼさない。