Axions and superradiant instabilities of primordial black holes

Abstract

Black holes are a great laboratory to probe high energy physics. Recent works studied black holes that, through the superradiant instability phenomenon, produce in their vicinity a cloud constituted by the quantum chromodynamics axion or axion-like particles. In this thesis, we analyze some of the phenomenological aspects of the underlying physics of these systems focusing on their applications to cosmology and astrophysics.We review the Klein Gordon equation for a massive scalar field in the Kerr spacetime, which leads to superradiant instabilities of the particles connected with the field. We obtain an analytical approximation to the radial part of the solution and interpret physical properties of the particle cloud in analogy with the Hydrogen atom. Then, we propose axions as candidates for these systems and we review the quantum chromodynamics axion as well as the physics underlying this beyond the Standard Model particle. To complete these systems, we ponder primordial black holes due to their wide mass range and we present a review on these objects’ formation mechanism. Then, we study the dynamics of a system composed by a rotating primordial black hole, assuming primordial black holes are a relevant fraction of the dark matter, surrounded by a cloud of heavy axions, which decay into photons, in the presence of interactions between superradiant states. We perform numerical and analytical studies to determine the number of axions produced by superradiance throughout the cosmic history and we estimate the resulting Milky Way’s galactic center and extragalactic background photon fluxes and compare them with observational data. This way, we present a new cosmological axion production mechanism that represents a fraction of the dark matter.

Os buracos negros são um ótimo laboratório para testar física de altas energias. Trabalhos recentes estudaram buracos negros que, através do fenómeno de instabilidades superradiantes, produziram na sua vizinhança uma nuvem constituída por axiões da cromodinâmica quântica ou partículas axiónicas. Nesta tese, analisamos alguns aspetos fenomenológicos da física subjacente a estes sistemas focando-nos nas suas aplicações à cosmologia e astrofísica.Revemos a equação de Klein Gordon para um campo escalar massivo num espaço-tempo deKerr, que leva a uma instabilidade superradiante de partículas associadas a este campo. Obtemos uma aproximação analítica para a solução da parte radial e interpretamos propriedadesfísicas da nuvem de partículas em analogia com o átomo de Hidrogénio. Posteriormente, propomos axiões como candidatos a estes sistemas e revemos o axião da cromodinâmica quântica e a física subjacente a esta partícula. De forma a completarmos estes sistemas, ponderamos buracos negros primordiais devido ao seu vasto intervalo de massas e apresentamos uma revisão ao mecanismo de formação destes objetos. De seguida, estudamos a dinâmica de sistemas constituídos por um buraco negro primordial em rotação, assumindo que os buracos negros primordiais são uma fração significativa da matéria escura, rodeado por uma nuvem de axiões pesados, que decaem em fotões, na presença de interações entre estados superradiantes. Efetuamos estudos numéricos e analíticos para determinar o número de axiões produzidos através de superradiância ao longo da história cósmica e estimamos os fluxos de fotões de fundo extragalático e do centro galáctico da Via Láctea e comparamos com dados observacionais. Desta forma, apresentamos um novo mecanismo cosmológico de produção de axiões que representam uma fração da matéria escura.