Wie ist die relative Zusammensetzung der Hawking-Strahlung?

Die Temperatur der Hawking-Strahlung (für ein Schwarzschild-Schwarzes Loch) ist

$$T=\frac{\hbar c^3}{8\pi G M} .$$ Für Ihren Interessenbereich gibt uns dies Temperaturen $10\,\text{TeV}$(in Energieeinheiten) für $10^6\,\text{kg}$Schwarzes Loch und höher. Das ist mehr als derzeit in Beschleunigern erreichbar ist (zumindest pro Teilchen). Bei solchen Energien würde die meiste Strahlung aus dem quantenchromodynamischen Sektor des Standardmodells kommen: Quarks und Gluonen. Einmal emittiert, würden diese schnell hadronisieren und die resultierenden Jets würden schließlich in stabile Partikel zerfallen. Das Originalwerk, das dies abdeckt, ist:

• MacGibbon, JH, & Webber, BR (1990). Quark- und Gluon-Jet-Emission von primordialen Schwarzen Löchern: Die momentanen Spektren . Physical Review D, 41(10), 3052, doi .

Aus dem Papier:

Ein Schwarzes Loch emittiert nur solche Teilchen, die auf der Skala der abgestrahlten Energie und der Abmessungen des Schwarzen Lochs bei einer bestimmten Temperatur elementar erscheinen. Die verdampften Partikel bilden dann nach der Emission zusammengesetzte Partikel. Also bei Temperaturen über$\Lambda_\text{QH}$stellen wir uns vor, dass das Schwarze Loch relativistische Quark- und Gluon-Jets aussendet, die anschließend in die stabilen Photonen, Leptonen und Hadronen (dh Neutrinos, Elektronen, Positronen, Protonen und Antiprotonen) fragmentieren.

Dieses Papier hat Spektren der Partikel für Temperaturen bis zu$100\,\text{GeV}$, die zwei Größenordnungen kleiner ist als Ihre Reichweite, aber man könnte hoffen, dass die Anteile verschiedener Teilchenarten mehr oder weniger gleich bleiben, da sie sich beim Gehen nur sehr wenig ändern$10$Zu$100\,\text{GeV}$. Hier ist Artenfraktionen für$T=100\,\text{GeV}$:

$$\begin{array}{l|c|c|c|c} \text{Species}&p,\bar{p} & e^\pm & \gamma & \nu,\bar{\nu} \\ \hline \dot N\,(\text{%}) &2.37 & 19.63 & 22.13 & 55.88 \end{array}$$

Das obige Szenario enthielt keine Beiträge von Gravitonen und Higgs-Bosonen (da das Higgs-Feld damals noch nicht beobachtet wurde und Graviton bis heute nicht beobachtet wird), obwohl es ihre Rolle diskutiert. Die Schlussfolgerung (jetzt, da wir die Masse des Higgs-Bosons kennen) ist, dass der Hauptzerfallsmodus von Higgs in Top- und Bottom-Quarks / Antiquarks die effektive Anzahl von erhöhen würde$q_b$Und$q_t$Freiheitsgrade, aber jeder dieser zusätzlichen Jets hätte eine geringere Energie, während der höhere Graviton-Spin bedeuten würde, dass sein Beitrag weniger als 1% der Gesamtleistung und Anzahl der Teilchen betragen würde.

Dieses Papier verwendet Monte-Carlo-Jet-Code, um die Hadronisierung und die anschließende Fragmentierung zu simulieren. Soweit ich weiß, ist der Nachkomme dieses Codes der HERWIG-Ereignisgenerator . Wenn Sie also Erfahrung mit HEP-Ereignisgeneratoren haben, können Sie Ihre eigene Simulation für den gewünschten Energiebereich schreiben und gleichzeitig das bessere Verständnis des in die Software integrierten Standardmodells nutzen.

Man sollte beachten, dass es eine Zeitlang eine Theorie gab, dass es bei hohen Hawking-Temperaturen eine quasithermische „Photosphäre“ geben würde, die ein Schwarzes Loch umgibt, so dass aus ihr austretende Teilchen Bremsstrahlung erfahren und Elektron-Positron-Paare erzeugen würden, die dadurch erheblich abgesenkt werden ihre effektive Temperatur. Es scheint jedoch, dass dies auf einigen falschen Annahmen beruhte, und so wechselwirken die überwiegende Mehrheit der von einem Schwarzen Loch abgestrahlten Teilchen nicht miteinander oder mit ihren Zerfallsprodukten:

• MacGibbon, JH, Carr, BJ, & Page, DN (2008). Bilden verdampfende Schwarze Löcher Photosphären? . Physical Review D, 78(6), 064043, doi , arXiv .

Was das obige Bild ernsthaft verändern könnte, ist eine unbekannte Physik. Wenn zum Beispiel Supersymmetrie oder GUT bei diesen Energien relevant werden, dann würde es eine ganz andere Zusammensetzung der Hawking-Strahlung geben.

Auch, wenn dunkle Materie tatsächlich aus einer Art WIMPs mit Massen darunter besteht$10\,\text{TeV}$(oder sowieso unterhalb der entsprechenden Hawking-Temperatur) als diese auch abgestrahlt würden. Abhängig von ihrer genauen Art und der Anzahl der Freiheitsgrade, die sie tragen, könnten sie die Gesamtleistung und Zusammensetzung der Strahlung ernsthaft verändern.