نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکدة نجوم، پژوهشگاه دانش‌های بنیادی (IPM)، تهران

2 پژوهشکدة نجوم، پژوهشگاه دانش‌های بنیادی (IPM)، تهران 2. دانشکدة فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

چکیده

وجود ذرات به اندازه کافی سبک در نظریة بنیادی توصیف کنندة جهان پیرامونی، می‌تواند باعث ناپایداری سیاهچاله‌های چرخان شود که به این پدیده اَبَرتابش گفته می‌شود. به طور خاص اَکسیون و ذرات شبه- اَکسیونی نامزدهای مناسبی برای ایجاد چنین پدیده‌ای هستند. در اثر این ناپایداری، ابرِ اَکسیونی با چگالی بالا در اطراف سیاهچاله تشکیل می‌شود. به سیستم ساهیچاله و ابرِ اَکسیونی، اتم گرانشی اطلاق می‌شود. بررسی تحول این اتم گرانشی می‌تواند منجر به کشف اکسیون شود و یا قیدهای جدیدی بر فضای پارامتری اَکسیون‌ها معرفی کند. با در نظر گرفتن جملات برهم‌کنشی اَکسیون– فوتون و نیز اَکسیون با خودش می‌توان دید که ابرِ اَکسیونی تحت شرایطی ناپایدار می‌شود. منشأ این ناپایداری‌ها تشدیدِ پارامتری است که می‌تواند اثرات مشاهده‌پذیر داشته باشد. ما در این مقاله، با در نظر گرفتن باقی عوامل مؤثر در تحول ابرِ اَکسیونی حد بالا برای نرخ این ناپایداری‌ به دست می‌آوریم. نتایج به دست ‌آمده نشان می‌دهد که برای ساده‌ترین مدل‌های اَکسیونی این ناپایداری با نرخ بسیار کمی اتفاق می‌افتد؛ چرا که قبل از مؤثر شدن تشدید، خود برهم‌کنش ذرات باعث رمبش ابر اکسیونی می‌شود. ولی برای برخی مدل‌های خاص، تشدید می‌تواند به مقدار کافی بزرگ باشد تا اثرات مشاهده ‌پذیر ایجاد کند. به علاوه، نشان خواهیم داد که تشدید ناشی از خود برهم‌کنش هیچ گاه به حد مؤثر خود نمی‌رسد. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Resonant instability of axion cloud

نویسندگان [English]

  • M H Namjoo 1
  • R Ebadi 2

1 School of Astronomy, Institute for Research in Fundamental Sciences (IPM), Tehran, Iran

2 1. School of Astronomy, Institute for Research in Fundamental Sciences (IPM), Tehran, Iran 2. Department of Physics, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

The presence of sufficiently light particles in the fundamental Lagrangian could trigger instability in rotating black holes, the so-called superradiance instability. In particular, axion and axion-like-particles (ALPs) are good candidates to prompt such an instability. As a result, a high-density axion cloud forms around the black hole. The system of black holes and the axion cloud surrounding it is called a gravitational atom. Examining the evolution of this gravitational atom could lead to the discovery of an axion or introduce new constraints on their parametric space. The axion cloud becomes unstable under certain conditions when axion-photon interactions and axion self-interactions are considered. The nature of these instabilities is the parametric resonance. In this paper, we obtain an upper bound for the rate of this instability. The results show that for the simplest axion models, this instability occurs at a very low rate because, before the resonance becomes effective, self-interactions cause the axion cloud to collapse. But for some exotic models, the resonance rate could be large enough to introduce observable effects. In addition, we will show that the parametric resonance caused by self-interactions never happens at a significant level.

کلیدواژه‌ها [English]

  • superradiance
  • instabilities
  • Kerr blackhole
  • parametric resonance
  • axion

  1. R D Peccei and H R Quinn, Phys. Rev. Lett. 38 (1977) 1440.
  2. S Weinberg, Phys. Rev. Lett. 40 (1978) 223.
  3. F Wilczek, Phys. Rev. Lett. 40 (1978) 279.
  4. E Armengaud et al., [IAXO Collaboration], arXiv:1904.09155 [hep-ph].
  5. B Lakic et al., [CAST Collaboration], PoS HEP 2005 (2006) 022.
  6. L F Abbott and P Sikivie, Phys. Lett. B 120, (1983) 133. [Phys. Lett. 120 B 133 (1983)].
  7. M Dine and W Fischler, Phys. Lett. B 120 (1983) 137. [Phys. Lett. 120 B 137 (1983)].
  8. J E Kim and G Carosi, Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 557.
  9. J Preskill, M B Wise and F Wilczek, Phys. Lett. B 120 (1983) 127. [Phys. Lett. 120 B, 127 (1983)].

10. L Bergstrom, New J. Phys. 11 (2009) 105006.

11. M Fairbairn, R Hogan, and D J E Marsh, Phys. Rev. D 91, 2 (2015) 023509.

12. N Du et al., [ADMX Collaboration], Phys. Rev. Lett. 120, 15 (2018) 151301 doi:10.1103/ Phys. Rev. Lett. 120. 151301 [arXiv:1804.05750 [hep-ex]].

13. B Majorovits et al., [MADMAX interest Group], arXiv:1712.01062 [physics.ins-det].

14. B.R Safdi, Z Sun, and A Y Chen, arXiv:1811.01020 [astro-ph.CO].

15. T Liu, G Smoot, and Y Zhao, arXiv:1901.10981 [astro-ph.CO].

16. R Brito, V Cardoso, and P Pani, Lect. Notes Phys. 906 (2015) 1.

17. F V Day and J I McDonald, arXiv:1904.08341 [hep-ph].

18. V Cardoso, R Brito and J L Rosa, Phys. Rev. D 91, 12 (2015) 124026.

19. V Cardoso, P Pani, and T T Yu, Phys. Rev. D 95, 12 (2017) 124056.

20. A Arvanitaki and S Dubovsky, Phys. Rev. D 83 (2011) 044026.

21. A Arvanitaki, M Baryakhtar, and X Huang, Phys. Rev. D 91, 8 (2015) 084011.

22. R Brito, S Ghosh, E Barausse, E Berti, V Cardoso, I Dvorkin, A Klein, and P Pani, Phys. Rev. Lett. 119, 13 (2017) 131101.

23. J G Rosa and T W Kephart, Phys. Rev. Lett. 120, 23 (2018) 231102.

24. T Ikeda, R Brito, and V Cardoso, Phys. Rev. Lett. 122, 8 (2019) 081101.

25. A Hook, arXiv:1812.02669 [hep-ph].

26. C A Baker et al., Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 131801.

27. C Vafa and E Witten, Phys. Rev. Lett. 53 (1984) 535.

28. J E Kim, Phys. Rept. 150 (1987) 1.

29. M Srednicki, Nucl. Phys. B 260 (1985) 689.

30. D J E Marsh, Phys. Rept. 643 (2016) 1 [arXiv:1510.07633 [astro-ph.CO]]

31. J E Kim, Phys. Rev. Lett. 43 (1979) 103.  

32. M A Shifman, A I Vainshtein, and V I Zakharov, Nucl. Phys. B 166 (1980) 493.

33. M Dine, W Fischler and M Srednicki, Phys. Lett. 104B 199 (1981).

34. A R Zhitnitsky, Sov. J. Nucl. Phys. 31 (1980) 260.

35. M P Hertzberg and E D Schiappacasse, JCAP 1811, 11 (2018) 004.

36. S L Detweiler, Phys. Rev. D 22 (1980) 2323.

37. V Cardoso and S Yoshida, JHEP 0507 (2005) 009.

38. S R Dolan, Phys. Rev. D 76 (2007) 084001.

39. W E East and F Pretorius, Phys. Rev. Lett. 119, 4 (2017) 041101.

40. W E East, Phys. Rev. Lett. 121, 13 (2018) 131104.

41. Y B Zel’dovich, 1971. Pis. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 14, 270 (1971).

42. Y B Zel’dovich 1972. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 62 (1971) 2076.

43. W H Press and S A Teukolsky, Nature 238 (1972) 211.

44. S A Teukolsky, Astrophys. J. 185 (1973) 635.

45. W H Press and S A Teukolsky, Astrophys. J. 185 (1973) 649.

46. S A Teukolsky and W H Press, Astrophys. J. 193 (1974) 443.

47. D N Page, Phys. Rev. D 13 (1976) 198.

48. M H Namjoo, A H Guth, and D I Kaiser, Phys. Rev. D 98, 1 (2018) 016011.

49. D Baumann, H S Chia, and R A Porto, Phys. Rev. D 99, 4 (2019) 044001.

50. M Yoshimura, Prog. Theor. Phys. 94 (1995) 873.

51. M Yoshimura, hep-ph/9603356.

52. I I Tkachev, Phys. Lett. B 261 (1991) 289.

53. A Riotto and I Tkachev, Phys. Lett. B 484 (2000) 177.

54. C Chicone, “Ordinary Differential Equations with Applications”. Springer-Verlag, New York (1999).

55. K. T. Hecht, Quantum Mechanics, Springer (2000).

56. M Boskovic, R Brito, V Cardoso, T Ikeda, and H Witek, Phys. Rev. D 99, 3 (2019) 035006.

57. H Yoshino and H Kodama, Prog. Theor. Phys. 128 (2012) 153.

58. H Yoshino and H Kodama, Class. Quant. Grav. 32, 21 (2015) 214001.

  1. E A Donley, N R Claussen, S L Cornish, J L Roberts, E A Cornell, and C E Wieman, Nature 412 (2001) 295.

تحت نظارت وف ایرانی