[논문 리뷰] Ultralight Bosonic Field Mass Bounds from Astrophysical Black Hole Spin

Matthew J. Stott|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 천체적 블랙홀의 슈퍼디아란스에 의한 스핀 감쇠 현상을 이용해 초경량 보존 필드 질량에 대한 엄격한 경계를 유도한다. LIGO의 GW190521와 M87*를 포함한 다양한 블랙홀 측정치를 분석함으로써 스핀-0, 스핀-1, 스핀-2 보존들이 약 10⁻²² eV에서 10⁻¹¹ eV 사이의 다수의 질량 범위에서 배제되며, 이는 축상 입자와 흐린 어둠의 물질에 대한 제약 조건을 크게 강화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 천체적 블랙홀 스핀 측정치를 이용해 초경량 스핀-0, 스핀-1, 스핀-2 보존 필드의 견고한 질량 경계를 유도하는 것.
• 관측된 블랙홀로부터의 슈퍼디아란스 제약 조건을 바탕으로 축상 입자 유사 입자, 흐린 어둠의 물질, M-이론 모델의 실현 가능성 테스트.
• 최근 LIGO(GW190521)와 이벤트 호라이즌 망원경(M87*)의 고정밀 데이터를 통합하여 기존의 배제 한계를 보다 정밀하게 조정하는 것.
• 블랙홀 스핀 진화와 슈퍼디아란스 불안정성에 의한 보존 응축체 형성 간의 상호작용을 탐색하는 것.

제안 방법

• 회전하는 블랙홀에서의 슈퍼디아란스 불안정성에 대한 분석 결과를 활용하여 블랙홀의 각운동량에서 에너지를 추출하는 모델링.
• 은하계, 중간질량, 초거대 질량 범위의 블랙홀 측정치를 포함한 100개 이상의 통계적 집합을 활용하여 통합 배제 경계를 도출.
• 보존 질량 μ와 모드 주파수 ω 사이의 슈퍼디아란스 조건 μ ≤ Mω를 적용하여 허용 가능한 질량 창문을 제약.
• 블랙홀의 관측된 스핀 분포를 이용하여 관측 가능한 스핀 감쇠를 일으킬 수 있는 보존 질량의 상한을 유추.
• GW190521(중간질량 블랙홀 병합)과 M87*(이벤트 호라이즌 그림자)의 제약 조건을 적용하여 축상 입자 붕괴 상수와 필드 질량에 대한 경계를 보다 정밀하게 조정.
• 질량 및 결합 상수 매개변수에 대한 체계적 스캔을 수행하고 축상 입자 유사 필드에 대해 68% 신뢰구간 경계를 보고.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천체적 블랙홀에서의 슈퍼디아란스에 의해 배제되는 초경량 스핀-0, 스핀-1, 스핀-2 보존의 질량 범위는 무엇인가?
• RQ2 최근 LIGO와 EHT 관측(GW190521 및 M87*)은 축상 입자 유사 입자의 붕괴 상수와 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 현재의 블랙홀 스핀 측정치는 흐린 어둠의 물질과 QCD 축상 입자 모델을 어느 정도 배제하는가?
• RQ4 중간질량 블랙홀 데이터의 부족으로 인해 배제 창구에 빈도가 생기거나, 이는 전체 경계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 블랙홀 집단에서 슈퍼디아란스와 일치하는 초경량 필드의 예측 질량 스펙트럼은 무엇인가?

주요 결과

• 스핀-0 보존은 세 개의 별도된 질량 범위에서 배제된다: 3.8×10⁻¹⁴ eV ≤ μ₀ ≤ 3.4×10⁻¹¹ eV, 5.5×10⁻²⁰ eV ≤ μ₀ ≤ 1.3×10⁻¹⁶ eV, 및 2.5×10⁻²¹ eV ≤ μ₀ ≤ 1.2×10⁻²⁰ eV.
• 스핀-1 보존은 다음의 범위에서 배제된다: 6.2×10⁻¹⁵ eV ≤ μ₁ ≤ 3.9×10⁻¹¹ eV 및 2.8×10⁻²² eV ≤ μ₁ ≤ 1.9×10⁻¹⁶ eV.
• 스핀-2 보존은 다음의 범위에서 배제된다: 2.2×10⁻¹⁴ eV ≤ μ₂ ≤ 2.8×10⁻¹¹ eV, 1.8×10⁻²⁰ eV ≤ μ₂ ≤ 1.8×10⁻¹⁶ eV, 및 6.4×10⁻²² eV ≤ μ₂ ≤ 7.7×10⁻²¹ eV.
• QCD 축상 입자는 fa ≤ MPl 조건에서 제약되며, μ₀ ≈ 5.7×10⁻⁵ eV까지 배제되며, 이는 현재의 현상학적 제약과 일치한다.
• GW190521 및 M87* 데이터는 축상 입자 붕괴 상수에 대해 경계를 크게 강화하며, GW190521(1)의 경우 fa ≥ 8.5×10¹³ GeV, M87*의 경우 fa ≥ 2.0×10¹⁶ GeV이다.
• 스핀-0 필드의 배제 함수에 나타나는 골은 중간질량 블랙홀 데이터의 부재, 특히 GUT 축상 입자 창구에 영향을 미친다.