[논문 리뷰] Bounds on Photon Charge from Evaporation of Massive Black Holes

C. Sivaram, Kenath Arun|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 19.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 시간 스케일 동안 전하 보존 원리를 적용하여 질량이 크고 전하를 띠는 블랙홀의 호킹 복사 증발을 분석함으로써, 가상의 광자의 전하에 대한 새로운 상한을 유도한다. 만약 광자가 비영인 전하를 지녔다면, 예상되는 증발 과정이 깨지게 되어 광자의 전하에 대해 약 10^{-42} e 수준의 엄격한 상한을 이끌어내게 된다. 이는 이전의 제약 조건보다 훨씬 더 엄격하다.

ABSTRACT

Photon charge has been of interest as a phenomenological testing ground for basic assumptions in fundamental physics. There have been several constraints on the photon charge based on very different considerations. In this paper we put further limits based on the well known properties of charged black holes and their subsequent evaporation by Hawking radiation and the assumption of charge conservation over this long physical process.

연구 동기 및 목표

• 양자장론 및 전기역학의 기본 매개변수인 광자의 전하를 제약하기 위해.
• 비영인 광자 전하가 질량이 크고 전하를 띠는 블랙홀의 호킹 복사에 의해 증발하는 데 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 블랙홀 증발의 장기 스케일 동안 전하 보존을 적용하여 광자 전하에 대한 더 엄격한 제약 조건을 도출하기 위해.
• 일반 상대성 이론과 곡면 시공간 속 양자장론을 활용한 새로운 천체물리적 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 블랙홀의 증발을 연구하기 위해 질량이 크고 전하를 띠며, 자전하지 않는 물체로 모델링하여 리스너-노르트스트롬 기하학을 적용한다.
• 전체 증발 과정 동안 전하 보존 원리를 적용하며, 최종 상태는 중성이라고 가정한다.
• 이미 알려진 호킹 복사 스펙트럼을 사용하여 블랙홀의 에너지 손실 및 전하 손실률을 계산한다.
• 증발 기간 동안 방출된 총 전하가 블랙홀의 初기 전하와 일치하도록 요구함으로써 광자 전하에 대한 제약 조건을 유도한다.
• 블랙홀 질량, 전하 및 증발 시간 스케일 간의 관계를 활용하여 허용 가능한 최대 광자 전하를 추정한다.
• 유도된 부등식을 해결하여 광자 전하에 대한 상한을 도출하며, 이때 광자가 복사에 기여하는 唯一한 입자라고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량이 큰 블랙홀의 호킹 증발 과정에서 전하 보존 조건을 충족시키기 위해 유도할 수 있는 광자 전하에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 비영인 광자 전하를 가정할 경우, 전하를 띠는 블랙홀의 예상되는 증발 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 블랙홀 증발의 천체물리적 관측을 통해 광자의 전자기적 성질을 제약할 수 있는가?
• RQ4 질량이 큰 블랙홀의 관측 또는 이론적으로 예상되는 증발 시간 스케일과 일치하는 최대 광자 전하는 무엇인가?
• RQ5 이 제약 조건은 기존의 실험적 및 이론적 광자 전하 제약 조건과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 논문은 블랙홀 증발 중 전하 보존 원리를 적용하여 광자 전하에 대해 약 10^{-42} e 수준의 상한을 도출한다.
• 이 제약 조건은 실험실 실험이나 원자물리학에서 이전에 도출된 제약 조건보다 훨씬 더 엄격하다.
• 유도 과정은 광자가 복사에 기여하는 유일한 입자이며, 전체 증발 과정 동안 전하가 보존된다고 가정한다.
• 블랙홀의 초기 질량이 충분히 크고 증발 시간 스케일이 길다면, 이 제약 조건는 초기 질량과 무관하다.
• 결과는 비영인 광자 전하가 매우 작아야 하며, 표준모델의 중성 광자 가정과 일치함을 시사한다.
• 이 방법은 기존 입자물리학 및 천체물리학 제약 조건을 보완하는 새로운 천체물리학적 근거를 제공한다.