[论文解读] Testing Dark Energy and Light Particles via Black Hole Evaporation at Colliders

Michael Doran, Jorg Jaeckel|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文提出通过在高能对撞机中探测黑洞蒸发过程中的缺失能量，来检验标量场暗能量及修正引力模型，方法是测量霍金辐射中的缺失能量。通过总辐射率计数轻度自由度，若无能量缺失即可排除轻标量场的存在，从而为暗能量提供一种独特的对撞机探测手段，超越天体物理实验的限制。

ABSTRACT

We show that collider experiments have the potential to exclude a light scalar field as well as generic models of modified gravity as dark energy candidates. Our mechanism uses the spectrum radiated by black holes and can equally well be applied to determine the number of light degrees of freedom. We obtain the grey body factors for massive scalar particles and calculate the total emissivity. While the Large Hadron Collider (LHC) may not get to the desired accuracy, the measurement is within reach of next generation colliders.

研究动机与目标

• 为标量场暗能量和修正引力模型提供一种对撞机探测方法，这些模型在天体物理或桌面实验中难以探测。
• 解决探测暗能量本质的根本挑战，特别是宇宙学常数的微调问题。
• 通过观测对撞机中黑洞衰变时能量的缺失，判断是否存在与动力学暗能量相关的轻标量场。
• 建立一种通过霍金辐射谱计数轻度自由度（包括潜在的标量暗能量激发态）的方法。
• 评估在当前LHC限制下，该探测方法在下一代对撞机中的可行性。

提出的方法

• 假设存在额外维度且基本普朗克尺度较低（M⋆ ~ TeV），在对撞机中产生高维黑洞。
• 利用弯曲时空中波传播推导出的灰体因子，计算质量标量粒子的总辐射率。
• 应用n+4维时空中黑洞的半经典霍金辐射公式，温度TH ∝ (n+1)/rH。
• 将已知粒子和未探测到的模式（如引力子）辐射的总能量与初始黑洞质量进行比较，以检测缺失能量。
• 利用有效自由度数n_eff推断轻场（如标量暗能量）的存在，精度要求约为0.5%。
• 考虑本体场与体场之间在运动学阈值和发射率上的差异，以区分标准模型与引力模式的标量贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用对撞机中的黑洞蒸发来排除轻标量场作为暗能量候选者？
• RQ2 对撞机中黑洞衰变的缺失能量在多大程度上能约束轻自由度的数量，包括来自标量暗能量的自由度？
• RQ3 通过辐射率测量探测标量场所需的精度是否可在下一代对撞机中实现？
• RQ4 在高维黑洞衰变中，标量场的发射率与标准模型粒子和引力子的发射率相比如何？
• RQ5 运动学阈值和黑洞演化阶段（如去毛、自旋衰减）在轻场可探测性中起什么作用？

主要发现

• 对于更高数量的自由度，质量标量粒子的总辐射率显著增强，当n=7时，其辐射率约为n=1时的136倍（归一化相同）。
• 对于初始质量MH^ini ≈ 10^4 TeV且n=1的黑洞，初始霍金温度TH^ini ~ 1.7 GeV过低，无法有效辐射顶夸克、希格斯玻色子、W/Z玻色子，限制了早期辐射。
• 随着黑洞蒸发质量减小，TH升高，使得更高质量的粒子得以辐射，导致n_eff上升，直至M_H ~ 1 TeV。
• 在更小质量时，由于运动学阈值，n_eff下降，截止能量Λ = min(M_H[1 + m²/M_H²]/2, M_H)抑制了重粒子的发射。
• 区分n_eff所需的精度约为0.5%，当前LHC能力不足（8 TeV黑洞的估计精度为15–30%），但有望在下一代对撞机中实现。
• 该方法还可排除等效于具有轻标量的标量场理论的长程修正引力模型，如Carroll等人和Chiba等人提出的模型。