Hawking evaporation and superradiant instabilities of primordial black holes in the axiverse of string theory

Abstract

Nesta tese, revejo o trabalho realizado no último ano sob a supervisão do Professor João Rosa com os úteis conhecimentos do estudante de doutoramento Marco Calzà. O tema principal é a dinâmica dos buracos negros, nomeadamente as instabilidades superradiantes e a radiação Hawking, num universo com um grande número de partículas escalares de luz adicionadas à Modelo padrão. Este tópico é motivado pela Teoria das Cordas, onde um grande número de campos escalares é previsto como resultado de compactações Kaluza-Klein de dimensões extra, dando origem ao Axiverso da Teoria das Cordas. A fim de maximizar os efeitos radiativos da radiação Hawking, considerámos também o estudo da dinâmica de Buracos Negros muito leves, nomeadamente com massas de 10^12 kg, que não são criados por colapsos estelares, mas por flutuações de densidade no universo primitivo - Buracos Negros Primordiais. Embora a fenomenologia proposta seja extremamente interessante e tenha consequências físicas fascinantes, esta tese centra-se mais na estrutura matemática e no formalismo utilizado para determinar a dinâmica do sistema. Com isto em mente, o primeiro capítulo é uma revisão da teoria matemática dos Buracos Negros e funciona como uma "estrutura de raiz" que ramifica para ambos os efeitos (superradiância e radiação Hawking) no capítulo 2. Estes serão discutidos exaustivamente e, finalmente, duas secções serão dedicadas aos Buracos Negros Primordial e ao Eixo de Cordas para contextualização. Os capítulos 1 e 2 são então puramente uma revisão da literatura sobre estes tópicos. Posteriormente, prosseguimos com o trabalho propriamente feito. O capítulo 3 descreve um modelo do universo, onde apenas 2 tipos de partículas estão a ser considerados. Um campo escalar sem massa, que está a ser emitido através da radiação Hawking, e um campo escalar de 1 GeV, que induz uma instabilidade superradiante. Embora a radiação Hawking com um escalar sem massa e instabilidades superradiantes com um escalar maciço sejam conhecidas individualmente, a instabilidade dinamicamente desencadeada através da evaporação Hawking mostrada na secção final desse capítulo é um novo trabalho.No capítulo 4, melhoramos o trabalho realizado no capítulo anterior considerando o Modelo Padrão mais um grande número de campos escalares a serem emitidos através da radiação Hawking e, mais uma vez, desencadeamos dinamicamente uma instabilidade de um campo escalar maciço. A parte superradiante vem como um acréscimo a um trabalho anterior realizado por Rosa, Calzà e March-Russell, e é também um trabalho novo. Finalmente, discutimos o trabalho futuro e possíveis considerações no capítulo 5.

In this thesis I review the work done in the last year under the supervision of Professor João Rosa with the helpful insights from PhD student Marco Calzà. The main topic is black hole dynamics, namely superradiant instabilities and Hawking radiation, in a universe with a large number of light scalar particles added to theStandard Model. This topic is motivated by String Theory, where a large number of scalar fields is predicted as a result of Kaluza-Klein compactifications of extra dimensions, giving rise to the String Axiverse. In order to maximize the radiative effects from Hawking radiation, we also considered the study of the dynamics ofvery light Black Holes, namely with masses of 10^12 kg, which are not created by stellar collapse, but by density fluctuations in the early universe - Primordial Black Holes. Although the phenomenology proposed is extremely interesting and has fascinating physical consequences, this thesis focuses more on the mathematical structure and the formalism used to determine the dynamics of the system. With this in mind, the first chapter is a review of the mathematical theory of Black Holes and functions as a "root structure" which ramifies to both effects (superradiance and Hawking radiation) in chapter 2. These will be discussed thoroughly and finally two sections will be dedicated to Primordial Black Holes and the String Axiverse for contextualization. Chapter 1 and 2 are then purely review of literature on thesetopics. Afterwards, we proceed to the actual work done. Chapter 3 describes a toy model of the universe, where only 2 types of particles are being considered. A massless scalar field, which is being emitted through Hawking radiation, and a 1 GeV scalar field, which induces a superradiant instability. Although Hawking radiation with a massless scalar and superradiant instabilities with a massive scalar are known individually, the dynamically triggered instability through Hawking evaporation shown in the final section of that chapter is new work. In chapter 4, we improve on the work done in the previous chapter considering the Standard Model plus a large number of scalar fields being emitted through Hawking radiation and, again, dynamically trigger an instability of a massive scalar field. The superradiant part comes as an addition to a previous work done by Rosa,Calzà and March-Russell, and is also new work. Finally, we discuss future work and possible considerations in chapter 5.