[논문 리뷰] Gibbons-Maeda-Garfinkle-Horowitz-Strominger Black Holes as Particle Accelerators to Arbitrarily High Energy

Parthapratim Pradhan|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 30.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 중성 입자가 무한원에서 정지 상태에서 자유낙하할 때, 극한의 깁스-마에다-가르피르클-호르위츠-스트로밍거(GMGHS) 블랙홀에서 사건의 지평선 근처에서 충돌할 경우 중심질량(중심) 에너지(CM)가 임의로 높아질 수 있음을 보여준다. 슈바르츠실트나 레이스너-노르트스트롬 블랙홀과는 달리, 입자의 운동량 조정이 필요 없이, 특히 ISCO, 광선 궤도, 그리고 경계가 없는 궤도가 모두 r = 2M에 위치하는 경우에 이러한 발산 현상이 발생한다.

ABSTRACT

We show that an extremal Gibbons-Maeda-Garfinkle-Horowitz-Strominger black hole may act as a particle accelerator with arbitrarily high energy when two uncharged particles falling freely from rest to infinity on the near horizon. We show that the center of mass energy of collision independent of the extreme fine tuning of the angular momentum of the colliding particles. We further show that the center of mass energy of collisions of particles at the ISCO ($r_{ISCO}$) or at the photon orbit ($r_{ph}$) or at the marginally bound circular orbit ($r_{mb}$) i.e. at $r \equiv r_{ISCO}=r_{ph}=r_{mb}=2M$ could be arbitrarily large for the aforementioned spacetimes, which is different from Schwarzschild and Reissner-Nordstrom spcetimes. For non-extremal GMGHS spacetimes the CM energy is finite and depends upon the asymptotic value of the dilation field ($\phi_{0}$).

연구 동기 및 목표

• 극한의 GMGHS 블랙홀이 중심질량 에너지가 임의로 높을 수 있는 천연 입자 가속기로 기능할 수 있는지 조사한다.
• 고에너지 충돌 현상이 입자의 운동량 조정에 의존하는지 여부를 규명한다.
• 특정 반경에서의 중심질량 에너지 행동을 분석한다: ISCO, 광선 궤도, 그리고 경계가 없는 궤도이며, 이들 모두 극한의 GMGHS 시공간에서 r = 2M에 위치한다.
• 극한과 비극한의 GMGHS 시공간에서의 중심질량 에너지 행동을 비교하며, 특히 확장된 도시장 필드 φ₀의 역할을 분석한다.

제안 방법

• 연구는 극한의 GMGHS 시공간에서 무한원에서 정지 상태에서 자유낙하하는 중성 입자의 지오데식 방정식을 사용한다.
• 지오데식 방정식을 이용해 반경 r = r_ISCO = r_ph = r_mb = 2M에서의 두 입자 충돌에 대한 중심질량 에너지(E_cm)를 계산한다.
• 정확한 GMGHS 계량식을 사용하며, 이는 도시장 필드를 포함하고 있으며, 블랙홀가 극한에 가까워질 경우의 극한을 분석한다.
• 비극한의 경우에서 중심질량 에너지 E_cm이 확장된 도시장 필드 φ₀의 값에 어떻게 의존하는지 평가한다.
• 사건의 지평선의 구조와 r = 2M 근처의 입자 궤적을 분석하여 E_cm의 발산 원인을 설명한다.
• 결과를 슈바르츠실트와 레이스너-노르트스트롬 시공간의 알려진 행동과 대조하여, GMGHS 블랙홀의 독특함을 부각시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극한의 GMGHS 블랙홀은 사건의 지평선 근처에서 입자 충돌 시 중심질량 에너지가 임의로 높아질 수 있는가?
• RQ2 GMGHS 시공간에서 E_cm의 발산 현상이 다른 블랙홀 모델과는 달리 입자의 운동량 조정이 필요하지 않은가?
• RQ3 극한의 GMGHS 시공간에서 ISCO, 광선 궤도, 경계가 없는 원형 궤도에서의 E_cm 행동은 어떻게 되는가? 이들 모두 r = 2M에 위치한다.
• RQ4 비극한의 GMGHS 시공간에서 중심질량 에너지는 어떻게 다른가? 그리고 확장된 도시장 필드 φ₀는 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 왜 극한의 GMGHS 블랙홀은 r = 2M에서 임의로 높은 중심질량 에너지를 허용하는가? 반면 슈바르츠실트나 레이스너-노르트스트롬 블랙홀은 그렇지 않은가?

주요 결과

• 극한의 GMGHS 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 충돌하는 입자들의 중심질량 에너지는 입자의 운동량 조정 없이도 임의로 커질 수 있다.
• r = 2M에서, 이는 극한의 GMGHS 시공간에서 ISCO, 광선 궤도, 경계가 없는 궤도가 모두 중복되는 위치이며, 자유낙하하는 입자들 사이에서 중심질량 에너지 E_cm가 발산한다.
• E_cm의 발산 현상은 극한의 GMGHS 계량식의 특수한 구조와 지평선 근처에서의 도시장 필드 행동에 기인한다.
• 비극한의 GMGHS 시공간에서는 중심질량 에너지 E_cm가 유한하며, 확장된 도시장 필드 φ₀의 값에 직접적으로 의존한다.
• 극한의 GMGHS 블랙홀에서의 고에너지 충돌 메커니즘은 슈바르츠실트와 레이스너-노르트스트롬 시공간과 근본적으로 다르며, 이들 시공간에서는 이러한 발산 현상이 이들 반경에서 발생하지 않는다.
• 결과는 극한의 GMGHS 블랙홀이 고에너지 물리학과 블랙홀 현상학에 잠재적인 영향을 미칠 수 있는 천연적이고 강력한 입자 가속기임을 시사한다.