[논문 리뷰] On the potential catastrophic risk from metastable quantum-black holes produced at particle colliders

R. Plaga|ArXiv.org|2008. 08. 10.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 입자 충돌기에서 생성된 메타안정 상태의 양자 블랙홀에서의 치명적인 성장 위험을 조사하며, 허클 블랙홀의 복사 강도를 감소시키는 미세정도 열역학 모델을 제안하여 장기간의 적재를 가능하게 한다. 이 모델 하에서 기존의 천체물리적 안전성 논증이 실패하며, 현재 실험적 한계에 포함되는 L > 15.3 μm 범위의 초과차원 스케일에서는 블랙홀이 치명적으로 성장할 수 있어, Giddings & Mangano 및 Koch 등에 의한 이전의 위험 배제 주장에 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 충돌기에서 생성된 메타안정 상태의 양자 블랙홀이 치명적으로 성장할 위험을 평가하여, 이전의 안전성 분석의 완전성을 도전한다.
• 허클 복사 강도를 감소시키는 블랙홀에 대한 미세정도 열역학 프레임워크를 탐색하여 장수명이고 적재되는 블랙홀을 가능하게 한다.
• Giddings & Mangano 및 Koch 등의 천체물리적 배제 논증이 이 시나리오에 적용되지 않는 이유를 보여주며, 블랙홀 역학의 차이를 설명한다.
• 특히 초과차원 스케일 L에 대해 블랙홀 성장이 여전히 치명적이고 탐지되지 않는 데에 해당하는 타당한 매개변수 범위를 규명한다.
• 이 모델의 함의를 고려하여 블랙홀의 잔류 위험 확률을 줄이기 위한 충돌기 운영 조치를 제안한다.

제안 방법

• 전체 에너지를 유지하는 미세정도 열역학 모델을 사용하여 양자 블랙홀을 기술하며, 표준 캐논리컬 집합에 비해 감소된 비제로의 허클 복사 강도를 도출한다.
• Casadio & Harms (2002)의 방정식을 사용하여 블랙홀의 방출률과 적재 시간 상수에 기반한 치명적 성장의 임계 질량 M_c를 정의한다.
• 최대 가능한 속도로 주변 물질을 끌어당기는 것으로 가정하여, 에디링턴 적재 한계를 적용해 적재 시간 상수를 추정한다.
• Casadio 등(2002)의 두 개의 별개 방정식(식 16 및 식 18)을 사용하여 초과차원 스케일 L에 따른 임계 질량 M_c를 평가하며, 이론적 가정에 대한 민감도를 보여준다.
• 천체물리적 제약 조건과 비교하며, 특히 L의 95% 상한선(L < 44 μm)과 비교하고, 성장이 치명적이 되는 15.3 μm 이상의 값이 여전히 타당한지 평가한다.
• 이전 안전성 분석에서 매개변수 범위를 배제한 것의 비합리성을 비판적으로 검토하며, L > 15.3 μm 범위를 배제한 이유가 없기 때문에 위험 평가의 완전성이 훼손됨을 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 캐논리컬 집합 예측과는 반대로, 미세정도 열역학 모델 하에서 충돌기에서 생성된 메타안정 상태의 양자 블랙홀이 치명적으로 성장할 수 있는가?
• RQ2 허클 복사 강도가 감소한 메타안정 상태의 블랙홀을 고려할 때, 천체선으로 생성된 블랙홀이 별을 파괴한다는 기존의 천체물리적 안전성 논증이 여전히 유효한가?
• RQ3 치명적 블랙홀 성장을 가능하게 하는 초과차원 스케일 L의 범위는 무엇이며, 이 범위는 현재의 실험적 한계와 일치하는가?
• RQ4 왜 Giddings & Mangano 및 Koch 등에 의한 이전의 위험 분석은 정당한 이유 없이 타당한 매개변수 범위를 배제하며, 이는 안전성 결론의 완전성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 메타안정 상태의 블랙홀이 장수명을 가지는 경우, 충돌기에서 운영 조치를 통해 잔류 위험을 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• L > 15.3 μm인 경우, 치명적 성장의 임계 질량 M_c는 허클 붕괴가 지배하는 질량 이하이므로, 적재가 제한 없이 진행될 수 있다.
• L = 44 μm(현재 95% 실험 상한선)일 경우, M_c는 1.1 × 10⁵ kg에 도달하며, 붕괴 시간(0.3 초)이 적재 시간 상수(0.6 msec)를 초과하여 치명적 성장이 가능하다.
• Casadio 등(2002)의 별개의 방정식(식 16)을 사용할 경우, L = 44 μm에서 M_c는 5.9 × 10²² kg에 도달하여, 이 매개변수화 하에서는 모든 타당한 L 값에서 치명적 성장이 가능함을 시사한다.
• Giddings & Mangano의 천체물리적 안전성 논증은 이 모델에서 실패한다. 왜냐하면 중간 질량에서 허클 복사가 결국 적재를 멈추기 때문이며, 이는 이러한 블랙홀이 이미 별을 파괴했을 것이라는 가정을 무너뜨린다.
• 이전의 안전성 분석은 L > 15.3 μm 범위를 정당한 이유 없이 배제하며, 이는 그들의 완전성 주장에 근본적인 흠을 드러내며, 특히 이 범위가 현재 실험적 한계의 5% 불확실성 범위 내에 있기 때문이다.
• 이 모델은 Casadio 등이 제안한 미세정도 프레임워크의 타당성을 확인하며, 이는 캐논리컬 모델 대비 최대 17개의 자리 수 더 긴 수명을 예측한다. 이는 10⁻²⁷ 초 수명이 보편적이라는 가정을 도전한다.