[论文解读] Ultralight Bosonic Field Mass Bounds from Astrophysical Black Hole Spin

Matthew J. Stott|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 25

一句话总结

本文利用天体物理黑洞自转衰减效应，通过轴向不稳定性（superradiance）推导出对超轻玻色子质量的严格约束。通过分析包含LIGO的GW190521和M87*在内的多样化黑洞测量样本，该研究在约10⁻²² eV至10⁻¹¹ eV的质量范围内，排除了自旋-0、自旋-1和自旋-2玻色子的多个质量区间，显著收紧了对轴子样粒子和模糊暗物质的约束。

ABSTRACT

Black Hole measurements have grown significantly in the new age of gravitation wave astronomy from LIGO observations of binary black hole mergers. As yet unobserved massive ultralight bosonic fields represent one of the most exciting features of Standard Model extensions, capable of providing solutions to numerous paradigmatic issues in particle physics and cosmology. In this work we explore bounds from spinning astrophysical black holes and their angular momentum energy transfer to bosonic condensates which can form surrounding the black hole via superradiant instabilities. Using recent analytical results we perform a simplified analysis with a generous ensemble of black hole parameter measurements where we find superradiance very generally excludes bosonic fields in the mass ranges; spin-0: ${\scriptsize \{ 3.8 imes10^{-14}\ { m eV} \leq μ_0 \leq 3.4 imes10^{-11}\ { m eV}, 5.5 imes10^{-20}\ { m eV} \leq μ_0 \leq 1.3 imes10^{-16}\ { m eV}, 2.5 imes10^{-21}\ { m eV} \leq μ_0 \leq 1.2 imes10^{-20}\ { m eV}\}}$, spin-1: ${\scriptsize \{ 6.2 imes10^{-15}\ { m eV} \leq μ_1 \leq 3.9 imes10^{-11}\ { m eV}, 2.8 imes10^{-22}\ { m eV} \leq μ_1 \leq 1.9 imes10^{-16}\ { m eV} \}}$ and spin-2: ${\scriptsize \{ 2.2 imes10^{-14}\ { m eV} \leq μ_2 \leq 2.8 imes10^{-11}\ { m eV}, 1.8 imes10^{-20}\ { m eV} \leq μ_2 \leq 1.8 imes10^{-16}\ { m eV}, 6.4 imes10^{-22}\ { m eV} \leq μ_2 \leq 7.7 imes10^{-21}\ { m eV} \}}$ respectively. We also explore these bounds in the context of specific phenomenological models, specifically the QCD axion, M-theory models and fuzzy dark matter sitting at the edges of current limits. In particular we include recent measurements of event GW190521 and M87* used to constrain both the masses and decay constants of axion like fields. Finally we comment a simple example of a spectrum of fields for the spin-0 and spin-1 cases.

研究动机与目标

• 利用天体物理黑洞自转测量，推导出超轻自旋-0、自旋-1和自旋-2玻色子场质量的稳健边界。
• 在观测黑洞的轴向不稳定性约束背景下，检验轴子样粒子、模糊暗物质及M理论模型的可行性。
• 结合LIGO（GW190521）和事件视界望远镜（M87*）的最新高精度数据，改进现有排除限。
• 探索黑洞自转演化与轴向不稳定性导致的玻色凝聚形成的相互作用。

提出的方法

• 利用旋转黑洞中轴向不稳定性分析结果，建立从黑洞角动量中提取能量的模型。
• 应用包含100多个黑洞测量值的统计集合，覆盖恒星级、中等质量和超大质量黑洞，推导集体性排除边界。
• 采用轴向不稳定性条件 μ ≤ Mω，其中 μ 为玻色子质量，ω 为模式频率，以约束允许的质量窗口。
• 利用黑洞的观测自转分布，推断导致可观测自转衰减的玻色子质量上限。
• 应用GW190521（中等质量黑洞并合）和M87*（事件视界阴影）的约束，以改进对轴子衰变常数和场质量的限制。
• 对质量与耦合参数进行系统性扫描，报告轴子样场的68%置信区间边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 天体物理黑洞中的轴向不稳定性排除了哪些超轻自旋-0、自旋-1和自旋-2玻色子的质量范围？
• RQ2 近期LIGO和EHT观测（GW190521与M87*）如何约束轴子样粒子的衰变常数与质量？
• RQ3 当前黑洞自转测量在多大程度上排除了模糊暗物质与QCD轴子模型？
• RQ4 由于缺乏中等质量黑洞数据，是否存在排除窗口的空隙？这些空隙如何影响整体边界？
• RQ5 在多样化黑洞群体中，与轴向不稳定性一致的超轻场质量谱预测为何？

主要发现

• 轴向不稳定性排除了自旋-0玻色子的三个质量区间：3.8×10⁻¹⁴ eV ≤ μ₀ ≤ 3.4×10⁻¹¹ eV，5.5×10⁻²⁰ eV ≤ μ₀ ≤ 1.3×10⁻¹⁶ eV，以及2.5×10⁻²¹ eV ≤ μ₀ ≤ 1.2×10⁻²⁰ eV。
• 自旋-1玻色子在以下区间被排除：6.2×10⁻¹⁵ eV ≤ μ₁ ≤ 3.9×10⁻¹¹ eV 和 2.8×10⁻²² eV ≤ μ₁ ≤ 1.9×10⁻¹⁶ eV。
• 自旋-2玻色子在以下区间被排除：2.2×10⁻¹⁴ eV ≤ μ₂ ≤ 2.8×10⁻¹¹ eV，1.8×10⁻²⁰ eV ≤ μ₂ ≤ 1.8×10⁻¹⁶ eV，以及6.4×10⁻²² eV ≤ μ₂ ≤ 7.7×10⁻²¹ eV。
• 在 fa ≤ MPl 的极限下，QCD轴子被约束，其排除范围延伸至 μ₀ ≈ 5.7×10⁻⁵ eV，与当前现象学边界一致。
• GW190521 和 M87* 数据显著收紧了对轴子衰变常数的约束，其中 GW190521 的 fa ≥ 8.5×10¹³ GeV（1），M87* 的 fa ≥ 2.0×10¹⁶ GeV。
• 自旋-0场的排除函数中出现的谷值，对应于中等质量黑洞数据的缺失，尤其影响了大统一理论轴子窗口。