[论文解读] The Dark Dimension, the Swampland, and the Dark Matter Fraction Composed of Primordial Black Holes

Luis A. Anchordoqui, Ignatios Antoniadis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 90被引用 61

一句话总结

本文提出，通过将炼金术计划与暗能量微小性相结合所预测的隐藏微米级额外维度，可减缓原初黑洞（PBHs）的霍金辐射，从而将PBHs作为全部暗物质的可行质量范围扩展至10^14–10^21 g。此外，研究进一步表明，质量约为10^12 g的PBHs可解释银河系中心的511 keV伽马射线线。

ABSTRACT

Very recently, it was suggested that combining the Swampland program with the smallness of the dark energy and confronting these ideas to experiment lead to the prediction of the existence of a single extra-dimension (dubbed the dark dimension) with characteristic length-scale in the micron range. We show that the rate of Hawking radiation slows down for black holes perceiving the dark dimension and discuss the impact of our findings in assessing the dark matter fraction that could be composed of primordial black holes. We demonstrate that for a species scale of ${\cal O}(10^{10}~{ m GeV})$, an all-dark-matter interpretation in terms of primordial black holes should be feasible for masses in the range $10^{14} \leq M_{BH}/{ m g}\leq 10^{21}$. This range is extended compared to that in the 4D theory by 3 orders of magnitude in the low mass region. We also show that PBHs with $M_{ m BH} \sim 10^{12}~{ m g}$ could potentially explain the well-known Galactic 511 keV gamma-ray line if they make up a tiny fraction of the total dark matter density.

研究动机与目标

• 评估炼金术计划预测的微米级额外维度是否会影响原初黑洞的蒸发速率。
• 在高维引力框架下，重新评估PBHs作为暗物质候选者的可行质量范围。
• 检验质量约为10^12 g的PBHs是否可解释银河系中心观测到的511 keV伽马射线线。
• 考察粒子尺度（~10^10 GeV）对PBH稳定性及暗物质约束的影响。

提出的方法

• 采用包含约1 µm单个额外维度的5D有效场论，该理论源自炼金术纲领的猜想与观测约束。
• 应用5D中修改后的霍金辐射速率，表明由于隐藏维度对黑洞熵和辐射谱的影响，辐射发射率降低。
• 利用河外伽马射线背景、宇宙微波背景、微引力透镜和正电子测量结果对fPBH施加约束。
• 将粒子尺度 ˆM ~ 10^10 GeV 整合进5D黑洞蒸发模型，以确定稳定质量窗口。
• 分析INTEGRAL数据中来自银河系中心的511 keV线，以检验PBH的贡献。
• 通过中子星加热与宇宙射线谱的尖锐截止点进行一致性检验，以确定额外维度的大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5D中，微米级额外维度的存在如何影响原初黑洞的霍金辐射速率？
• RQ2 当5D中粒子尺度为~10^10 GeV时，PBHs构成全部暗物质的扩展质量范围是多少？
• RQ3 质量约为10^12 g的PBHs是否可解释银河系中心观测到的511 keV伽马射线线？
• RQ4 来自CMB、伽马射线背景和微引力透镜的约束如何塑造5D模型中允许的fPBH？
• RQ5 吸积过程在此框架下对延长PBHs作为暗物质候选者可行性的角色是什么？

主要发现

• 由于隐藏维度的影响，5D黑洞的霍金辐射速率降低，从而延长了其寿命。
• 在4D中，PBHs构成全部暗物质的可行质量范围扩展至10^14–10^21 g，低质量端扩展了三个数量级。
• 若质量约为10^12 g的PBHs仅占总暗物质密度的极小部分（~10^-10），则可解释511 keV伽马射线线。
• 粒子尺度 ˆM ~ 10^10 GeV 与中子星加热及宇宙射线谱的观测约束一致。
• 在扩展的PBH质量范围内，5D模型满足来自河外伽马射线背景和CMB的约束。
• 在当前宇宙时期，PBHs对暗物质的吸积可忽略不计，因此不会显著改变质量函数或蒸发约束。