[论文解读] Bounds on Photon Charge from Evaporation of Massive Black Holes

C. Sivaram, Kenath Arun|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文通过分析大质量带电黑洞的霍金辐射蒸发过程，结合宇宙时空中电荷守恒的假设，推导出光子可能电荷的新上界。研究发现，若光子带有非零电荷，将破坏预期的蒸发过程，从而得出光子电荷的严格上界约为10^{-42} e，显著优于以往的约束。

ABSTRACT

Photon charge has been of interest as a phenomenological testing ground for basic assumptions in fundamental physics. There have been several constraints on the photon charge based on very different considerations. In this paper we put further limits based on the well known properties of charged black holes and their subsequent evaporation by Hawking radiation and the assumption of charge conservation over this long physical process.

研究动机与目标

• 约束光子的电荷，这是量子场论与电动力学中的基本参数。
• 研究非零光子电荷对大质量带电黑洞通过霍金辐射蒸发的影响。
• 通过在黑洞蒸发的长时间尺度上强制电荷守恒，推导出更紧的光子电荷约束。
• 利用广义相对论与弯曲时空中的量子场论，提供一种新颖的天体物理约束。

提出的方法

• 将大质量黑洞建模为带电且不旋转的物体（采用雷斯纳-诺斯特伦几何），以研究其在霍金辐射下的蒸发过程。
• 在整个蒸发过程中应用电荷守恒原理，假设最终状态为电中性。
• 利用已知的霍金辐射谱，计算黑洞的能量与电荷损失速率。
• 通过要求蒸发过程中释放的总电荷与黑洞初始电荷相等，推导出光子电荷的约束。
• 利用黑洞质量、电荷与蒸发 timescale 之间的关系，估算允许的最大光子电荷。
• 求解所得不等式，得出光子电荷的上界，假设光子是唯一参与辐射的带电粒子。

实验结果

研究问题

• RQ1 从大质量黑洞霍金蒸发过程中电荷守恒的要求出发，可推导出的光子电荷上界是什么？
• RQ2 假设光子具有非零电荷，会对带电黑洞的预期蒸发动力学产生何种影响？
• RQ3 能否利用黑洞蒸发的天体物理观测来约束光子的电磁性质？
• RQ4 与大质量黑洞的观测或理论预期蒸发 timescale 一致的最大光子电荷是多少？
• RQ5 该约束与现有其他实验和理论的光子电荷约束相比如何？

主要发现

• 本文基于黑洞蒸发过程中的电荷守恒，推导出光子电荷的上界约为10^{-42} e。
• 该上界显著优于以往通过实验室实验或原子物理得出的约束。
• 推导假设光子是唯一参与霍金辐射的带电粒子，且在整个蒸发过程中电荷守恒。
• 只要黑洞质量足够大、蒸发 timescale 足够长，该上界与初始黑洞质量无关。
• 结果表明，任何非零光子电荷都必须极小，与标准模型中光子为电中性的假设一致。
• 该方法提供了一种新颖的、基于天体物理的约束，补充了粒子物理与宇宙学中的现有限制。