[论文解读] Gibbons-Maeda-Garfinkle-Horowitz-Strominger Black Holes as Particle Accelerators to Arbitrarily High Energy

Parthapratim Pradhan|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 1

一句话总结

该论文表明，当两个不带电粒子从无穷远处自由下落并在事件视界附近碰撞时，极端吉布斯-马伊达-加尔菲勒克-霍罗威茨-施特罗明格（GMGHS）黑洞可作为粒子加速器，产生任意高的质心系（CM）能量。与史瓦西或雷茨纳-诺德斯特伦黑洞不同，这种发散现象无需对粒子角动量进行微调，尤其在半径 r = 2M 处（对应ISCO、光子轨道和准束缚轨道）表现明显。

ABSTRACT

We show that an extremal Gibbons-Maeda-Garfinkle-Horowitz-Strominger black hole may act as a particle accelerator with arbitrarily high energy when two uncharged particles falling freely from rest to infinity on the near horizon. We show that the center of mass energy of collision independent of the extreme fine tuning of the angular momentum of the colliding particles. We further show that the center of mass energy of collisions of particles at the ISCO ($r_{ISCO}$) or at the photon orbit ($r_{ph}$) or at the marginally bound circular orbit ($r_{mb}$) i.e. at $r \equiv r_{ISCO}=r_{ph}=r_{mb}=2M$ could be arbitrarily large for the aforementioned spacetimes, which is different from Schwarzschild and Reissner-Nordstrom spcetimes. For non-extremal GMGHS spacetimes the CM energy is finite and depends upon the asymptotic value of the dilation field ($\phi_{0}$).

研究动机与目标

• 研究极端GMGHS黑洞是否可作为自然粒子加速器，实现任意高的质心系能量。
• 确定高能碰撞现象是否依赖于粒子角动量的微调。
• 分析在关键半径处（ISCO、光子轨道和准束缚轨道）的质心系能量行为，这些轨道在极端GMGHS时空中的位置均为 r = 2M。
• 比较极端与非极端GMGHS时空中的质心系能量行为，特别关注标度场 φ₀ 的渐近值的影响。

提出的方法

• 本研究采用不带电粒子在极端GMGHS时空中从无穷远处静止自由下落的测地线方程。
• 计算在径向位置 r = r_ISCO = r_ph = r_mb = 2M 处两粒子碰撞的质心系能量（E_cm）。
• 分析GMGHS度规的精确解，其中包含标量场（dilaton field），并研究黑洞趋近极端极限时的极限行为。
• 评估非极端情况下 E_cm 对标度场渐近值 φ₀ 的依赖关系。
• 分析视界结构及 r = 2M 附近粒子轨迹，以解释 E_cm 发散的原因。
• 将结果与已知的史瓦西和雷茨纳-诺德斯特伦时空中的行为进行对比，突出GMGHS黑洞的独特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 极端GMGHS黑洞是否能在视界附近的粒子碰撞中产生任意高的质心系能量？
• RQ2 GMGHS时空中的 E_cm 发散是否需要对粒子角动量进行微调，而其他黑洞模型中则不然？
• RQ3 在极端GMGHS时空中，ISCO、光子轨道和准束缚圆形轨道处的 E_cm 行为如何？这些轨道均位于 r = 2M 处。
• RQ4 非极端GMGHS时空中质心系能量有何不同？渐近标度场 φ₀ 的作用是什么？
• RQ5 为何极端GMGHS黑洞在 r = 2M 处允许任意高的CM能量，而史瓦西和雷茨纳-诺德斯特伦黑洞却不具备这一特性？

主要发现

• 在极端GMGHS黑洞视界附近的碰撞粒子，其质心系能量可变得任意大，即使不微调粒子角动量亦然。
• 在 r = 2M 处（该处对应极端GMGHS时空中的ISCO、光子轨道和准束缚轨道），自由下落粒子的 E_cm 发散。
• E_cm 在 r = 2M 处的发散源于极端GMGHS度规的特定结构以及标度场在视界附近的性质。
• 在非极端GMGHS时空中，E_cm 保持有限，且明确依赖于标度场 φ₀ 的渐近值。
• 极端GMGHS黑洞中的高能碰撞机制与史瓦西和雷茨纳-诺德斯特伦时空中的机制有本质不同，后者在这些半径处不会出现此类发散。
• 结果表明，极端GMGHS黑洞是自然且稳健的粒子加速器，对高能物理和黑洞现象学具有潜在重要意义。