[论文解读] On the potential catastrophic risk from metastable quantum-black holes produced at particle colliders

R. Plaga|ArXiv.org|Aug 10, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文研究了粒子对撞机中产生的亚稳态量子黑洞可能引发的灾难性增长风险，提出了一种微正则热力学模型，该模型降低了霍金辐射强度，从而允许黑洞长时间吸积。研究表明，在该模型下，现有的天体物理学安全论证均不成立；当额外维度尺度 L > 15.3 μm 时——该值在当前实验限制范围内——黑洞可发生灾难性增长，挑战了 Giddings & Mangano 及 Koch 等人先前对风险的排除结论。

ABSTRACT

The question of whether collider produced of subnuclear black holes might constitute a catastrophic risk is explored in a model of Casadio & Harms (2002) that treats them as quantum-mechanical objects. A plausible scenario in which these black holes accrete ambient matter at the Eddington limit shortly after their production, thereby emitting Hawking radiation that would be harmful to Earth and/or CERN and its surroundings, is described. Such black holes are shown to remain undetectable in existing astrophysical observations and thus evade a recent exclusion of risks from subnuclear black holes by Giddings & Mangano (2008) and and a similar one by Koch et al. (2009). I further question that these risk analyses are complete for the reason that they exclude plausible black-hole parameter ranges from safety consideration without giving any reason. Some feasible operational measures at colliders are proposed that would allow the lowering of any remaining risk probability. Giddings & Mangano drew different general conclusions only because they made different initial assumptions about the properties of microscopic black holes, not because any of their technical conclusions are incorrect. A critical comment by Giddings & Mangano (2008) on the present paper and a preprint by Casadio et al.(2009) - that presents a treatment of the present issue with methods and assumptions similar to mine - are addressed in appendices.

研究动机与目标

• 评估对撞机产生的亚稳态量子黑洞可能引发灾难性增长的风险，挑战先前安全分析的完整性。
• 探索一种适用于黑洞的微正则热力学框架，该框架可降低霍金辐射，从而实现寿命更长、持续吸积的黑洞。
• 证明 Giddings & Mangano 及 Koch 等人提出的天体物理学排除论证不适用于此情景，原因在于黑洞动力学存在本质差异。
• 识别出黑洞增长仍具灾难性且未被探测到的合理参数范围，特别是额外维度尺度 L 的取值。
• 在该模型的启示下，提出对撞机层面可采取的操作措施，以降低任何残余风险概率。

提出的方法

• 采用适用于量子黑洞的微正则热力学模型，保持总能量守恒，与经典系综相比，霍金辐射强度降低但仍非零。
• 使用 Casadio & Harms (2002) 的方程定义灾难性增长的临界质量 M_c，其基于黑洞的辐射速率与吸积 timescale 的关系。
• 应用爱丁顿吸积极限估算吸积 timescale，假设黑洞以最大可能速率吸积周围物质。
• 利用 Casadio 等人提出的两个不同方程（Casadio 等人论文中的公式 16 和 18），评估临界质量 M_c 随额外维度尺度 L 的变化，显示其对理论假设的敏感性。
• 将结果与天体物理学约束进行比较，特别是 L 的 95% 上限（L < 44 μm），并评估当 L > 15.3 μm（此时增长变为灾难性）时，该参数范围是否仍具可行性。
• 批判性地审视先前安全分析中对参数范围的排除，认为未对 L > 15.3 μm 的参数范围提供合理排除理由，从而削弱了风险评估的完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在微正则热力学模型下，对撞机产生的亚稳态量子黑洞是否可能灾难性地增长，与标准经典系综预测相反？
• RQ2 当黑洞被视为具有降低霍金辐射的亚稳态时，基于宇宙射线产生黑洞摧毁恒星的现有天体物理学安全论证是否仍然有效？
• RQ3 额外维度尺度 L 的哪个范围允许灾难性黑洞增长？该范围是否与当前实验限制一致？
• RQ4 为何先前由 Giddings & Mangano 及 Koch 等人的风险分析排除了合理参数范围而未提供理由？这如何影响安全结论的完整性？
• RQ5 若存在寿命较长的亚稳态黑洞，是否可设计对撞机层面的操作措施以减轻残余风险？

主要发现

• 当 L > 15.3 μm 时，灾难性增长的临界质量 M_c 低于霍金衰变占主导的临界质量，从而允许吸积过程不受抑制地持续。
• 当 L = 44 μm（当前 95% 实验上限）时，M_c 达到 1.1 × 10⁵ kg，黑洞的衰变时间（0.3 秒）超过其吸积 timescale（0.6 毫秒），从而支持灾难性增长。
• 使用 Casadio 等人论文中的另一方程（公式 16），当 L = 44 μm 时，M_c 达到 5.9 × 10²² kg，表明在此参数化下，所有合理 L 值均会导致灾难性增长。
• Giddings & Mangano 的天体物理学安全论证在此模型中失效，因为霍金辐射最终会在中等质量阶段停止吸积，从而否定了此类黑洞早已摧毁恒星的假设。
• 先前的安全分析未加解释地排除了 L > 15.3 μm 的参数范围，削弱了其声称的完整性，尤其因为该范围处于当前实验限制的 5% 不确定性区间内。
• 该模型证实了 Casadio 等人微正则框架的合理性，其预测的寿命可比经典模型长达 17 个数量级，从而挑战了 10⁻²⁷ 秒寿命为普遍成立的假设。