[论文解读] Black Holes at IceCube

Luis A. Anchordoqui, Matthew M. Glenz+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出，由高能宇宙中微子以Waxman-Bahcall通量每日在南极冰盖中产生的量子黑洞，可通过IceCube实验探测其霍金辐射。通过建模黑洞产生过程中的非弹性效应及霍金谱的相对论性增强，作者表明，来自黑洞衰变的软μ子可能在高达约1.3 TeV的量子引力尺度下产生5-σ的发现信号。

ABSTRACT

If the fundamental Planck scale is about a TeV and the cosmic neutrino flux is at the Waxman-Bahcall level, quantum black holes are created daily in the Antarctic ice-cap. We re-examine the prospects for observing such black holes with the IceCube neutrino-detection experiment. To this end, we first revise the black hole production rate by incorporating the effects of inelasticty, i.e., the energy radiated in gravitational waves by the multipole moments of the incoming shock waves. After that we study in detail the process of Hawking evaporation accounting for the black hole's large momentum in the lab system. We derive the energy spectrum of the Planckian cloud which is swept forward with a large, O (10^6), Lorentz factor. (It is noteworthy that the boosted thermal spectrum is also relevant for the study of near-extremal supersymmetric black holes, which could be copiously produced at the LHC.) In the semiclassical regime, we estimate the average energy of the boosted particles to be less than 20% the energy of the neutrino-progenitor. Armed with such a constraint, we determine the discovery reach of IceCube by tagging on "soft" (relative to what one would expect from charged current standard model processes) muons escaping the electromagnetic shower bubble produced by the black hole's light descendants. The statistically significant 5-sigma excess extends up to a quantum gravity scale ~ 1.3 TeV.

研究动机与目标

• 评估在IceCube探测器中探测宇宙中微子产生的量子黑洞的可行性。
• 考虑黑洞产生过程中的非弹性效应，包括由冲击波多极矩引起的引力波能量损失。
• 在黑洞具有大动量的相对论性参考系中建立霍金蒸发的模型，推导出增强的热谱。
• 通过逃逸黑洞衰变产物电磁喷射泡的软μ子识别可探测的信号。
• 在给定假设下，确定可实现统计显著5-σ信号的量子引力尺度上限。

提出的方法

• 通过在碰撞过程中引入引力波辐射引起的非弹性效应，修正黑洞产生率。
• 应用相对论运动学，将霍金辐射谱转换至实验室参考系，此时黑洞以约10^6的洛伦兹因子运动。
• 推导出霍金蒸发期间发射的增强普朗克云的能量谱，考虑相对论多普勒频移效应。
• 估算实验室参考系中发射粒子的平均能量，表明其小于原中微子能量的20%。
• 设计一种基于标记能量显著低于标准模型带电流相互作用预期值的μ子的探测策略。
• 利用统计显著性（5-σ）确定可探测黑洞信号的量子引力尺度上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 非弹性效应对高能中微子碰撞中量子黑洞产生率有何影响？
• RQ2 黑洞的高洛伦兹增强如何影响实验室参考系中观测到的霍金辐射谱？
• RQ3 霍金辐射的增强热谱是否可通过软μ子信号在IceCube中产生可探测的信号？
• RQ4 在给定假设下，可实现5-σ黑洞发现的最高量子引力尺度是多少？
• RQ5 衰变产物的能量分布与标准模型预期相比如何，从而实现独特信号？

主要发现

• 引入非弹性效应后，可用于黑洞产生的有效能量减少，从而改变产生截面。
• 在实验室参考系中，霍金辐射谱被强烈增强，由于洛伦兹因子约为10^6，粒子以向前方向的圆锥形发射。
• 在实验室参考系中，发射粒子的平均能量小于原始中微子能量的20%，导致能量谱变软。
• 能量显著低于标准模型过程预期值的软μ子，可作为黑洞衰变的独特信号。
• 在约1.3 TeV的量子引力尺度下，可实现软μ子事件的统计显著5-σ过量。
• 发现范围受限于增强霍金谱的能量抑制效应以及标准模型过程的背景。