[论文解读] Primordial Black Holes: Do They Exist and Are They Useful?

B. J. Carr|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 59

一句话总结

本文综述了原初黑洞（PBHs）作为早期宇宙物理、引力坍缩、高能物理和量子引力的探针。即使原初黑洞并未实际形成，其理论研究仍对暴胀模型、相变和额外维度构成约束——尤其是通过蒸发信号，以及若量子引力在TeV尺度起作用，则可能在宇宙射线或大型强子对撞机（LHC）中探测到的迹象。

ABSTRACT

Recent developments in the study of primordial black holes (PBHs) are reviewed, with particular emphasis on their formation and evaporation. It is still not clear whether PBHs formed but, if they did, they could provide a unique probe of the early Universe, gravitational collapse, high energy physics and quantum gravity. Indeed their study may place interesting constraints on the physics relevant to these areas even if they never existed.

研究动机与目标

• 评估在早期宇宙中形成的原初黑洞（PBHs）的存在性及其宇宙学意义。
• 研究PBH的形成与蒸发如何约束暴胀模型和原初非均匀性。
• 评估PBH在探测高能物理与量子引力中的作用，特别是在存在额外维度的情境下。
• 探索通过伽马射线背景、宇宙射线和加速器实验（如LHC）探测PBH的潜力。
• 考察PBH蒸发如何提供新物理的观测信号，包括TeV尺度的量子引力。

提出的方法

• 利用原初黑洞形成于早期宇宙中密度涨落超过引力坍缩临界阈值的条件。
• 应用霍金的黑洞蒸发公式：$ T = \hbar c^3 / (8\pi G M k) $，表明质量满足 $ M \lesssim 10^{15} \, \text{g} $ 的PBH至今已蒸发。
• 分析在状态方程软化时的相变过程中PBH的形成，此时压强支撑减弱，坍缩成为可能。
• 通过 $ \sigma_{BH} \approx \pi r_S^2 \Theta(\sqrt{s} - M_{BH}^{\text{min}}) $ 评估高能碰撞中的黑洞产生，其中在高维中 $ r_S \propto (M_{BH}/M_P)^{1/(1+n)} $。
• 考虑宇宙射线和大气中微子相互作用中的蒸发信号，预测PBH衰变可导致高多重性簇射。
• 从宇宙伽马射线背景评估对PBH丰度的约束，将其密度限制在临界密度的 $ \lesssim 10^{-8} $ 以内。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞能否作为早期宇宙密度涨落与暴胀动力学的探针？
• RQ2 观测到的伽马射线背景对蒸发PBH丰度施加了何种约束？
• RQ3 额外维度如何改变高能对撞机实验中黑洞的形成与蒸发？
• RQ4 在相变期间形成的PBH能否为标准模型之外的新物理提供证据？
• RQ5 PBH蒸发在宇宙射线或LHC中可能产生何种观测信号，以及这些信号如何揭示额外维度的数量？

主要发现

• 质量低于 $ 10^{15} \, \text{g} $ 的PBH至今已蒸发，仅能通过其末态辐射探测。
• 伽马射线背景将PBH密度限制在临界密度的 $ \lesssim 10^{-8} $ 以内，排除其作为主导暗物质的可能性。
• 若量子引力在TeV尺度起作用，PBH可能在LHC中产生，其截面按 $ \sigma_{BH} \propto s^{2/(n+1)} $ 缩放，取决于额外维度数 $ n $。
• 宇宙射线中蒸发的PBH可能产生高多重性簇射，且电磁成分增强，可能被奥古斯都（Auger）探测到，年发生率超过一次。
• 在额外维模型中，今日蒸发的PBH临界质量移至 $ 3 \times 10^9 \, \text{g} $ 至 $ 4 \times 10^{14} \, \text{g} $ 之间，改变标准蒸发约束。
• 加速器中黑洞的产生可能因事件视界形成而掩盖对普朗克尺度以上物理的直接探测，即使这些黑洞并非原初形成。