¿Cuál es la composición relativa de la radiación de Hawking?

La temperatura de la radiación de Hawking (para un agujero negro de Schwarzschild) es

$$T=\frac{\hbar c^3}{8\pi G M} .$$ Para su rango de interés esto nos da temperaturas $10\,\text{TeV}$(en unidades de energía) para $10^6\,\text{kg}$agujero negro y superior. Eso es más de lo que se puede lograr actualmente en los aceleradores (al menos por partícula). A tales energías, la mayor parte de la radiación provendría del sector cromodinámico cuántico del Modelo Estándar: quarks y gluones. Una vez emitidos, se hadronizarían rápidamente y los chorros resultantes eventualmente se descompondrían en partículas estables. El trabajo original que cubre esto es:

• MacGibbon, JH y Webber, BR (1990). Emisión de chorros de quarks y gluones de agujeros negros primordiales: los espectros instantáneos . Revisión física D, 41(10), 3052, doi .

Del papel:

un agujero negro emite solo aquellas partículas que parecen elementales en la escala de la energía radiada y las dimensiones del agujero negro a una temperatura dada. Las partículas evaporadas luego se convierten en partículas compuestas después de la emisión. Así, a temperaturas superiores$\Lambda_\text{QH}$, imaginamos que el agujero negro emite chorros relativistas de quarks y gluones que posteriormente se fragmentan en fotones, leptones y hadrones estables (es decir, neutrinos, electrones, positrones, protones y antiprotones).

Este papel tiene espectros de las partículas para temperaturas de hasta$100\,\text{GeV}$, que es dos órdenes de magnitud más pequeño que su rango, sin embargo, uno podría esperar que las fracciones de diferentes especies de partículas permanezcan más o menos iguales, ya que cambian muy poco al pasar de$10$a$100\,\text{GeV}$. Aquí hay fracciones de especies para$T=100\,\text{GeV}$:

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

El escenario anterior no incluía las contribuciones de los gravitones y el bosón de Higgs (dado que el campo de Higgs no se había observado entonces, y el gravitón no se observa hasta el día de hoy), aunque sí analiza su papel. La conclusión (ahora que conocemos la masa del bosón de Higgs) es que el principal modo de descomposición de Higgs en quarks/antiquarks superior e inferior aumentaría el número efectivo de$q_b$y$q_t$grados de libertad, pero cada chorro adicional tendría una energía menor, mientras que el espín más alto del gravitón significaría que su contribución sería inferior al 1% de la potencia total y el número de partículas.

Este artículo utiliza el código Jet de Monte-Carlo para simular la hadronización y la posterior fragmentación. Según tengo entendido, el descendiente de este código es el generador de eventos HERWIG . Entonces, si tiene experiencia con generadores de eventos HEP, puede escribir su propia simulación para el rango deseado de energías mientras aprovecha una mejor comprensión del modelo estándar incorporado en el software.

Cabe señalar que durante un tiempo existió la teoría de que, para temperaturas de Hawking elevadas, habría una 'fotosfera' cuasitérmica rodeando un agujero negro, de modo que las partículas que emergieran experimentarían bremsstrahlung y generarían pares de electrones y positrones, lo que reduciría considerablemente su temperatura efectiva. Sin embargo, parece que esto se basó en algunas suposiciones erróneas, por lo que la gran mayoría de las partículas radiadas por un agujero negro no interactúan entre sí o con sus productos de descomposición:

• MacGibbon, JH, Carr, BJ y Page, DN (2008). ¿Los agujeros negros que se evaporan forman fotosferas? . Revisión física D, 78(6), 064043, doi , arXiv .

Lo que seriamente podría modificar la imagen presentada arriba es alguna física desconocida. Por ejemplo, si la supersimetría o la GUT se vuelven relevantes a estas energías, entonces habría una composición muy diferente de la radiación de Hawking.

Además, si la materia oscura está compuesta de algún tipo de WIMP con masas debajo$10\,\text{TeV}$(o de todos modos por debajo de la temperatura de Hawking correspondiente) que esos también serían radiados. Dependiendo de su naturaleza exacta y del número de grados de libertad que lleven, podrían modificar seriamente la potencia global y la composición de la radiación.