[論文レビュー] Ultralight Bosonic Field Mass Bounds from Astrophysical Black Hole Spin

Matthew J. Stott|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 25

ひとこと要約

この論文は、天体的ブラックホールの超放射不安定性に起因するスピンダウンを用いて、超軽量ボソンの質量にきびしい制約を導出している。LIGOのGW190521とM87*を含む多様なブラックホール測定結果を分析することで、約10⁻²² eVから約10⁻¹¹ eVの範囲でスピン0、スピン1、スピン2のボソンが除外され、アキソン様粒子およびファジー暗黒物質に対する制約が顕著に強化されている。

ABSTRACT

Black Hole measurements have grown significantly in the new age of gravitation wave astronomy from LIGO observations of binary black hole mergers. As yet unobserved massive ultralight bosonic fields represent one of the most exciting features of Standard Model extensions, capable of providing solutions to numerous paradigmatic issues in particle physics and cosmology. In this work we explore bounds from spinning astrophysical black holes and their angular momentum energy transfer to bosonic condensates which can form surrounding the black hole via superradiant instabilities. Using recent analytical results we perform a simplified analysis with a generous ensemble of black hole parameter measurements where we find superradiance very generally excludes bosonic fields in the mass ranges; spin-0: ${\scriptsize \{ 3.8 imes10^{-14}\ { m eV} \leq μ_0 \leq 3.4 imes10^{-11}\ { m eV}, 5.5 imes10^{-20}\ { m eV} \leq μ_0 \leq 1.3 imes10^{-16}\ { m eV}, 2.5 imes10^{-21}\ { m eV} \leq μ_0 \leq 1.2 imes10^{-20}\ { m eV}\}}$, spin-1: ${\scriptsize \{ 6.2 imes10^{-15}\ { m eV} \leq μ_1 \leq 3.9 imes10^{-11}\ { m eV}, 2.8 imes10^{-22}\ { m eV} \leq μ_1 \leq 1.9 imes10^{-16}\ { m eV} \}}$ and spin-2: ${\scriptsize \{ 2.2 imes10^{-14}\ { m eV} \leq μ_2 \leq 2.8 imes10^{-11}\ { m eV}, 1.8 imes10^{-20}\ { m eV} \leq μ_2 \leq 1.8 imes10^{-16}\ { m eV}, 6.4 imes10^{-22}\ { m eV} \leq μ_2 \leq 7.7 imes10^{-21}\ { m eV} \}}$ respectively. We also explore these bounds in the context of specific phenomenological models, specifically the QCD axion, M-theory models and fuzzy dark matter sitting at the edges of current limits. In particular we include recent measurements of event GW190521 and M87* used to constrain both the masses and decay constants of axion like fields. Finally we comment a simple example of a spectrum of fields for the spin-0 and spin-1 cases.

研究の動機と目的

• 天体的ブラックホールのスピン測定を用いて、超軽量スピン0、スピン1、スピン2ボソン場の頑健な質量制約を導出すること。
• 観測されたブラックホールからの超放射制約を踏まえて、アキソン様粒子、ファジー暗黒物質、M理論モデルの妥当性を検証すること。
• 最近の高精度なLIGO（GW190521）およびイベントホライズン望遠鏡（M87*）データを統合し、既存の除外限界を精緻化すること。
• 超放射不安定性によるブラックホールスピンの進化とボソン凝集体形成の相乗作用を調査すること。

提案手法

• 回転するブラックホールにおける超放射不安定性に関する解析的結果を用い、ブラックホールの角運動量からのエネルギー抽出をモデル化する。
• 恒星質量、中間質量、超大質量ブラックホールの範囲をカバーする100個以上のブラックホール測定結果の統計的アンサンブルを用い、集団的除外限界を導出する。
• ボソン質量μとモード周波数ωの間の超放射条件μ ≤ Mωを適用し、許容される質量窓を制約する。
• ブラックホールの観測スピン分布を用いて、観測可能なスピンダウンを引き起こす可能性のあるボソン質量の上限を推定する。
• GW190521（中間質量ブラックホール合体）およびM87*（イベントホライズンの影）からの制約を適用し、アキソンの崩壊定数と場の質量に対する限界を精緻化する。
• 質量および結合定数パラメータの体系的スキャンを実施し、アキソン様場の68%信頼区間の上限を報告する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 天体的ブラックホールにおける超放射によって、どの質量範囲の超軽量スピン0、スピン1、スピン2ボソンが除外されるか？
• RQ2 最近のLIGOおよびEHT観測（GW190521およびM87*）は、アキソン様粒子の崩壊定数と質量にどのような制約を課すか？
• RQ3 現在のブラックホールスピン測定は、ファジー暗黒物質およびQCDアキソンモデルをどの程度排除するか？
• RQ4 中間質量ブラックホールデータの不足により除外窓にギャップが生じているか、それらが全体の制約にどのように影響するか？
• RQ5 多様なブラックホール集団における超放射の整合性を満たす超軽量場の予測される質量スペクトルは何か？

主な発見

• 超放射はスピン0ボソンを3つの明確な質量範囲で除外する：3.8×10⁻¹⁴ eV ≤ μ₀ ≤ 3.4×10⁻¹¹ eV、5.5×10⁻²⁰ eV ≤ μ₀ ≤ 1.3×10⁻¹⁶ eV、および2.5×10⁻²¹ eV ≤ μ₀ ≤ 1.2×10⁻²⁰ eV。
• スピン1ボソンは以下の範囲で除外される：6.2×10⁻¹⁵ eV ≤ μ₁ ≤ 3.9×10⁻¹¹ eV および 2.8×10⁻²² eV ≤ μ₁ ≤ 1.9×10⁻¹⁶ eV。
• スピン2ボソンは以下の範囲で除外される：2.2×10⁻¹⁴ eV ≤ μ₂ ≤ 2.8×10⁻¹¹ eV、1.8×10⁻²⁰ eV ≤ μ₂ ≤ 1.8×10⁻¹⁶ eV、および6.4×10⁻²² eV ≤ μ₂ ≤ 7.7×10⁻²¹ eV。
• QCDアキソンはfa ≤ MPlの条件下で制約され、μ₀ ≈ 5.7×10⁻⁵ eVまで除外され、現在の物性的境界と整合的である。
• GW190521およびM87*のデータは、アキソンの崩壊定数に対する制約を顕著に強化しており、GW190521（1）ではfa ≥ 8.5×10¹³ GeV、M87*ではfa ≥ 2.0×10¹⁶ GeVが得られている。
• スピン0場の除外関数に見られる谷は、特にGUTアキソン窓に影響を与える中間質量ブラックホールデータの欠如に起因する。