Primordial Black Holes as laboratories for new physics

Abstract

We show that light Primordial Black Holes (PBHs) develop non-negligible spins through Hawking emission of a large number of Axion-Like Particles (ALPs) (typically referred to as the axiverse and predicted in string theorycompactifications) and their spin distributions could be measured by future gamma-ray observatories yielding a probe of the total number of light scalars in the fundamental theory, which is independent of how these interact with Standard Model (SM) particles.In this scenario, we show also that a heavy axion may trigger superradiant instabilities, and study the coupled dynamics of superradiance and evaporation finding that the BH mass-spin distribution should follow the superradiance threshold condition if a superradiant cloud forms. Furthermore, we show that the decay of the heavy axions within the superradiant cloud into photon pairs may lead to a distinctive line in the black hole’s emission spectrum.Motivated by the string axiverse scenario, we propose three distance-independent methods to infer the mass and the spin of PBHs. Namely, for energies tested in colliders, we propose methods suitable in the case of low Black Hole (BH) spin (0 ≲ ã ≲ 0.5) and one for high BH spin (ã ≳ 0.6) and based on the energy of specific features of the photon Hawking spectrum. The third method extends the possibility of measuring the mass and the spin of PBHs to temperatures typical of Beyond the Standard Model (BSM) physics and is independent of the interaction of the new physics with the SM since it relies on a multi-messenger approach where the primary emitted photons and neutrinos are simultaneously measured. In this context, we also show how the evolution of a PBH reveals information about the underlying theory of particle physics, namely the particle content of the theory at a characteristic energy.Finally, we study a regular rotating BH, described by the Kerr-black-bounce metric, evaporating under the Hawking emission of a single scalar field, and compare the results with a Kerr black hole evaporating under the same conditions. We show how the combined contributions of the changes in the Gray-Body Factors (GBFs), the surface gravity, and therefore the temperature affect the lifetime, evolution, and primary scalar emission of the Kerr black bounce. We also briefly comment on the possibility of investigating the beyond-the-horizon structure of a black hole by exploiting its Hawking emission.

Nesta tese mostramos que os buracos negros primordiais leves desenvolvem valores substanciais de spin através da emissão por efeito de Hawking de um grande número de espécies de axiões (conjunto conhecido como o “axiverso” e previsto pela teoria de cordas) e que a sua distribuição em termos de valores de spin poderá ser medida por futuros telescópios de raios-gama, constituindo uma forma de testar o número de partı́culas escalares leves na teoria fundamental, que é independente da forma como estas interagem com as partı́culas do Modelo Padrão. Neste cenário, demonstramos também que um axião pesado pode desencadear uma instabilidade superradiante, e estudamos a dinâmica acoplada da superradiância e da evaporação, concluindo que a distribuição de massa e spin dos buracos negros deve seguir o limite da condição de superradiância caso ocorra a formação de nuvens superradiantes. Para além disso, mostramos que o decaimento dos axiões pesados numa nuvem superradiante em pares de fotões origina uma linha caracterı́stica no espectro de emissão de um buraco negro. Motivados pelo cenário do axiverso da teoria de cordas, propomos três métodos independentes da distância para determinar a massa e o spin de buracos negros primordiais. Em particular, para energias já testadas em aceleradores propomos métodos apropriados aos regimes de baixo spin (0<∼<0.5) e de spin elevado (ã>0.6) e baseados na energia de caracterı́sticas especı́ficas do espectro de emissão de Hawking electromagnético. O terceiro médodo estende a possibilidade de medir a massa e o spin de buracos negros primordiais a temperaturas tı́picas da fı́sica para além do Modelo Padrão. Este método é independente das possı́veis interações entre as novas partı́culas e as partı́culas conhecidas uma vez que é baseado numa abordagem multi-mensageiro, em que os espectros primários de fotões e neutrinos são medidos em simultâneo. Neste contexto, mostramos igualmente como a evolução de um buraco negro primordial pode revelar informação sobre a fı́sica de partı́culas subjacente, nomeadamente o conteúdo de partı́culas da teoria em cada escala de massa. Finalmente, estudamos um buraco negro regular em rotação, descrito pela métrica de um “Kerr black-bounce”, evaporando através da emissão de Hawking de um único campo escalar, comparando com os resultados obtidos para um buraco negro de Kerr nas mesmas condições. Mostramos como a combinação das alterações nos factores de “corpo cinzento”, na gravidade superficial e, portanto, na temperatura influenciam o tempo de vida, a evolução e o espectro de emissão escalar primário do Kerr black-bounce. Também discutimos brevemente a possibilidade de investigar a estrutura para além do horizonte de um buraco negro através da exploração do seu espectro de emissão de Hawking.