Каков относительный состав излучения Хокинга?

Температура излучения Хокинга (для черной дыры Шварцшильда) равна

$$T=\frac{\hbar c^3}{8\pi G M} .$$ Для вашего диапазона интересов это дает нам температуры $10\,\text{TeV}$(в энергетических единицах) за $10^6\,\text{kg}$черная дыра и выше. Это больше, чем в настоящее время достижимо на ускорителях (по крайней мере, на частицу). При таких энергиях большая часть излучения исходила бы от квантово-хромодинамического сектора Стандартной модели: кварков и глюонов. После испускания они быстро адронизируются , и образующиеся струи в конечном итоге распадаются на стабильные частицы. Оригинальная работа, которая охватывает это:

• Макгиббон, Дж. Х. и Уэббер, Б. Р. (1990). Излучение кварковых и глюонных струй из первичных черных дыр: мгновенные спектры . Physical Review D, 41(10), 3052, doi .

Из бумаги:

черная дыра испускает только те частицы, которые кажутся элементарными в масштабе излучаемой энергии и размеров черной дыры при данной температуре. Затем испаренные частицы после эмиссии превращаются в составные частицы. Так, при температурах выше$\Lambda_\text{QH}$, мы предполагаем, что черная дыра испускает струи релятивистских кварков и глюонов, которые впоследствии распадаются на стабильные фотоны, лептоны и адроны (т. е. нейтрино, электроны, позитроны, протоны и антипротоны).

В работе приведены спектры частиц для температур до$100\,\text{GeV}$, что на два порядка меньше вашего диапазона, однако можно было бы надеяться, что доли различных видов частиц останутся более или менее одинаковыми, поскольку они очень мало меняются при переходе от$10$к$100\,\text{GeV}$. Вот видовые фракции для$T=100\,\text{GeV}$:

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

Приведенный выше сценарий не включал вклады от гравитонов и бозона Хиггса (поскольку поле Хиггса тогда не наблюдалось, а гравитон не наблюдается и по сей день), хотя и обсуждает их роль. Вывод (теперь, когда мы знаем массу бозона Хиггса) состоит в том, что основная мода распада бозона Хиггса на верхний и нижний кварк/антикварк увеличит эффективное число$q_b$и$q_t$степеней свободы, но каждая такая дополнительная струя будет иметь меньшую энергию, а более высокий спин гравитона будет означать, что его вклад будет меньше 1% от полной мощности и числа частиц.

В этой статье используется струйный код Монте-Карло для моделирования адронизации и последующей фрагментации. Как я понимаю, потомком этого кода является генератор событий HERWIG . Таким образом, если у вас есть опыт работы с генераторами событий HEP, вы можете написать собственное моделирование для желаемого диапазона энергий, воспользовавшись преимуществами лучшего понимания Стандартной модели, встроенной в программное обеспечение.

Следует отметить, что какое-то время существовала теория , согласно которой при больших температурах Хокинга вокруг черной дыры будет существовать квазитепловая «фотосфера», так что частицы, вылетевшие из нее, будут испытывать тормозное излучение и генерировать электрон-позитронные пары, что значительно снижает их эффективная температура. Однако кажется, что это было основано на некоторых неверных предположениях, и поэтому подавляющее большинство частиц, излучаемых черной дырой, не взаимодействуют друг с другом или с продуктами их распада:

• Макгиббон, Дж. Х., Карр, Б. Дж., и Пейдж, Д. Н. (2008). Образуют ли испаряющиеся черные дыры фотосферы? . Physical Review D, 78(6), 064043, doi , arXiv .

Что серьезно может изменить представленную выше картину, так это какая-то неизвестная физика. Например, если суперсимметрия или ТВО станут актуальными при этих энергиях, тогда будет совершенно другой состав излучения Хокинга.

Кроме того, если темная материя на самом деле состоит из каких-то вимпов с массой ниже$10\,\text{TeV}$(или, во всяком случае, ниже соответствующей температуры Хокинга), чем они также будут излучаться. В зависимости от их точной природы и количества степеней свободы они могут серьезно изменить общую мощность и состав излучения.