[논문 리뷰] The Dark Dimension, the Swampland, and the Dark Matter Fraction Composed of Primordial Black Holes

Luis A. Anchordoqui, Ignatios Antoniadis외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 14.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 90인용 수 61

한 줄 요약

이 논문은 스완플랜드 프로그램과 어둠의 에너지의 미세한 크기 조건을 조합하여 예측된 은폐된 마이크론 규모의 추가 차원이 초기 블랙홀의 호킹 복사 속도를 느리게 하여, 어둠의 물질을 모두 차지할 수 있는 블랙홀의 타당한 질량 범위를 10^14–10^21 g으로 연장시킨다고 제안한다. 또한 질량 약 10^12 g인 블랙홀들이 은하 중심에서 관측된 511 keV 감마선 선을 설명할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스완플랜드 프로그램이 예측하는 마이크론 규모의 추가 차원이 초기 블랙홀의 증발 속도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 다차원 중력 이론 하에서 블랙홀 후보로서 타당한 질량 범위를 재평가하는 것.
• 질량 약 10^12 g인 블랙홀이 은하 중심에서 관측된 511 keV 감마선 선을 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 종의 규모 (~10^10 GeV)가 블랙홀 안정성과 어둠의 물질 제약 조건에 미치는 영향을 검토하는 것.

제안 방법

• 스완플랜드 추측과 관측적 제약 조건에서 유도된 약 1 µm의 단일 추가 차원을 가진 5차원 효과 이론을 사용한다.
• 5차원에서 수정된 호킹 복사 속도를 적용하여, 어둠의 차원이 블랙홀 엔트로피와 복사 스펙트럼에 미치는 영향으로 인해 복사가 감소함을 보여준다.
• 은하간 감마선 배경, CMB, 마이크로렌즈, 양전자 측정 결과로부터 fPBH를 제약 조건으로 적용한다.
• 5차원 블랙홀 증발 모델에 종의 규모 ˆM ~ 10^10 GeV를 통합하여 안정된 질량 창문을 결정한다.
• INTEGRAL 데이터에서의 511 keV 선을 분석하여 블랙홀 기여도를 테스트한다.
• 추가 차원의 크기를 고정하기 위해 중성자별 가열과 우주선 스펙트럼의 급격한 절단과의 일관성 검사를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크론 규모의 추가 차원이 5차원에서의 초기 블랙홀 호킹 복사 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 종의 규모가 5차원에서 약 ~10^10 GeV일 경우, 블랙홀이 어둠의 물질을 모두 차지할 수 있는 확장된 질량 범위는 무엇인가?
• RQ3 질량 약 10^12 g인 블랙홀이 은하 중심에서 관측된 511 keV 감마선 선을 설명할 수 있는가?
• RQ4 CMB, 감마선 배경, 마이크로렌즈 제약 조건이 5차원 모델에서 허용 가능한 fPBH에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 틀에서 블랙홀의 물질 응집이 어둠의 물질 후보로서의 블랙홀의 타당성을 어떻게 연장하는가?

주요 결과

• 어둠의 차원의 영향으로 인해 5차원 블랙홀의 호킹 복사 속도가 감소하여 수명이 연장된다.
• 블랙홀이 어둠의 물질을 모두 차지할 수 있는 타당한 질량 범위가 10^14–10^21 g으로 연장되었으며, 4차원 대비 저질량 쪽에서 약 3개의 자리수가 증가하였다.
• 질량 약 10^12 g인 블랙홀이 어둠의 물질 총 밀도의 극히 작은 비율(~10^-10)을 차지할 경우, 511 keV 감마선 선을 설명할 수 있다.
• 종의 규모 ˆM ~ 10^10 GeV는 중성자별 가열과 우주선 스펙트럼 관측 결과와 일치한다.
• 은하간 감마선 배경과 CMB 제약 조건은 확장된 블랙홀 질량 범위에서 5차원 모델 내에서 충족된다.
• 현재 시대에 어둠의 물질이 블랙홀에 응집되는 것은 무시할 만큼 작아, 질량 함수나 증발 제약 조건에 크게 영향을 주지 않는다.