1 Aurelien Barrau LPSCGrenoble CNRS UJF

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PETITS TROUS NOIRS ETCOLLISIONNEURS
Aurélien Barrau ( en collaboration avec Gaelle
Boudoul et Julien Grain )
Laboratoire de Physique Subatomique et de
Cosmologie
CNRS/IN2P3 Université Joseph Fourier
Grenoble, France
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Des PBHs (Primordial Black Holes) ont pu se
former dans lUnivers jeune
Fluctuations de densité primordiales (Carr ,
Hawking)
Adoucissement de léquation détat (Canuto ,
Khlopov) Double inflation (Khlopov)
Transitions de phase (Hawking , Steinhardt ,
Khlopov)
Phénomènes quasi-critiques (Choptuik)
3
Evaporation de Hawking
4
Terme constant du spectre
5
Emission individuelle dantiprotons
????M2Q2
Jet energy
MQ
Antiproton energy
6
Effet cumulatif des sources
Convolution du spectre individuel avec le spectre
de masse
Spectre initial
Aujourd'hui
Loi dévolution (Hawking)
Masse initiale d'un trou noir ayant terminé
aujourd'hui son évaporation
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Contribution des différentes gammes de masse
Flux total
(1) ?
FLUX
(2) ?
(2)
(4)
(3) ?
(3)
(1)
(4) ?
Contribution essentielle Masses de trous noirs
entre 1012 et 5.1013 g
Énergie cinétique des antiprotons (GeV)
8
Un halo QCD ?
Flux
Sans halo
Effet du halo
Antiprotons kinetic energy (GeV)
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Propagation dans la Voie Lactée
Dessin de D. Maurin
Maurin, Taillet, Donato, Salati, Barrau, Boudoul,
review article for Research Signapost (2002)
astro-ph/0212111
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Sources des secondaires

• Interactions p-p

Section efficace de production

• Interactions p-He, He-p et He-He
• évaluées par Monte Carlo (DTUNUC)
• (modèle Dual partonique)

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Sans oublier....
Composante tertiaire
Pertes dénergie et réaccélération diffusive
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Flux d'antiprotons secondaires
Données expérimentales
Flux d'antiprotons
Composante p-p
Composante p-He
Composante He-p
Composante He-He
F.Donato, D. Maurin, P. Salati, A. Barrau, G.
Boudoul, R.Taillet, Astron. Astrophys. 563, 172
(2001)
13
Spectre Top of atmosphere
Variation de la densité de trous noirs
primordiaux
Incertitudes astro nucléaires
Données expérimentales
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Limite supérieure sur la densité de trous noirs
primordiaux
?2
Limite sup. sur ?
? (g/cm3)
Taille du halo (kpc)
A. Barrau, G. Boudoul et al., Astron. Astrophys.
388, 676 (2002)
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Autre sonde les rayons gamma

• Données
• Flux EGRET à 100 MeV
• Bruit de fond gamma
• (Pavlidou Fields, ApJ 575, L5-8 (2002))
• - galaxies
• - quasars

Émission des trous noirs primordiaux (directe
désintégration des pions neutres), après
intégration sur le décalage spectral, évolution
et absorption)

?PBH lt 3.3??10 9 A. Barrau G. Boudoul, ICRC
2003 proc., astro-ph/0304528
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Conséquences cosmologiques
A la différence du CMB ou des grandes structures,
les PBH donnent accès aux petites échelles
UNE SONDE COSMOLOGIQUE UNIQUE EN ATTENDANT LES
ONDES GRAVITTATIONNELLES PRIMORDIALES
(generation post-LISA)
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Contexte théorique
HYPOTHESES
Bump in the mass variance
Starobinsky, Polarsky, etc.
Phénomène quasi-critique
? 0.35
? 0.7
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Contraintes sur la fraction de masse en PBHs
b
Contrainte gravitationnelle
Contrainte due aux antiprotons
Mpeak (g)
Barrau, Blais, Boudoul, Polarski, Phys. Lett. B,
551, 218 (2003)
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Espoir de détection? Antideutérons
Très faible bruit de fond dantideutérons
secondaires
Quelques événements attendus dans l'expérience
spatiale AMS, dépendant de la taille du halo L,
de l'impulsion de coalescence P
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Evaporation en antideutérons
P0
Fonction de fragmentation en antideutérons
évaluée par modèle de coalescence pour un rayon
P0
21
Flux d'antideutérons
Réévaluation du flux secondaires en cours
(Buenerd, Protasov, Duperray)
Evaporation
Fenêtre de détection
Repeuplement à basse énergie par la composante
tertiaire
Dbars secondaires
A. Barrau, G. Boudoul, et al. Astronom.
Astrophys. 398, 403 (2003)
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Si les PBHs nexistent pas, créons les !
Problème de la hiérarchie M_Planck gtgt
E_EW Deux façons importantes de résoudre ce
problème sont - Warped extra dimensional
geometries (RS) Randall Sundrum, Phys. Rev.
Lett. 83, 3370 (1999) - Large extra
dimension Harkani-Hamed, Dimopoulos Dvali,
Phys. Lett. B 429, 257 (1998) Si
lespace-temps a suffisamment de grandes
dimensions supplémentaires Mp TeV if D10 et
V61fm6
23
Detection au LHC
Si lénergie dans le centre de masse gt E_Planck
Pour un paramètre dimpact lt R_S ? Trou noir !
Dimopoulos Landsberg, Phys. Rev. Lett. 85, 499
(2001) Giddings Thomas, Phys. Rev. D 65, 056010
(2002)
24
Solution de Schwarschild généralisée
Myers Perry, Ann. Phys. 172, 304 (1986)
Détection
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Dimensionalité de lespace
Graphe de Dimopoulos Landsberg
La dimensionalité de lespace peut être
reconstruite via T vs M
Landsberg, Phys. Rev. Lett. 88, 18 (2003)
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Le terme de Gauss Bonnet
De la relativité Générale
à laction de Gauss Bonnet
- Approche phénoménologique Taylor à lordre 2
en courbure - Approche en théories de cordes
leading order (heterotic)
Utilisé avec succès en cosmologie (e.g. Deruelle
et al.) et En physique des trous noirs (e.g.
Alexeyev et al.)
27
Thermodynamique des trous noirs GB
Boulware Deser, Phys. Rev. Lett., 88, 3370
(1985) Cai, Phys. Rev. D, 65, 084014 (2002)
28
Comportement de la température
Non monotone ? integration temporelle
Barrau, Grain, Alexeyev, Phys. Lett. B 584 (2004)
114
29
Calcul du flux
Approximation relativiste Pour les Grey-body
factors
30
Détection dans ATLAS

• Mp 1 TeV, brane/bulk
• couplage aux degrés de liberté
• Rs (et taux de production) modifié par le terme
  de GB

• Electrons et photons durs utilisés
• pour determiner le spectre
• Prise en compte de la résolution
• en énergie (grossièrement)

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Au-delà de la dimensionnalitéde lespace
Dans chaque cas D et la constante de couplage
peuvent être reconstruits ? gravité quantique au
LHC ?
Barrau, Grain, Alexeyev, Phys. Lett. B 584 (2004)
114
32
Trous noirs de Kerr-Gauss-Bonnet (a D dimensions)
Collaboration A. Barrau / S. Alexeyev (Moscou)
Nouvelle action, métrique, temperature, spectre,
etc. ? effets observables au collisionneurs
? Thermodynamique à létude
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UHECR sur milieu interstellaire astroparticules
avec une échelle de Planck basse
Creation de trous noirs par RCISM ? BH section
efficace 100 pbarn ? faible normalisation MAIS
spectre dur ! Univers primordial, reliques,
Flux 1/E
Collaboration A. Barrau / C. Feron
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Une constante cosmologique dans laction
Collaboration P. Kanti (Oxforf)

• Grey-boy factors
• trours noirs supermassifs ( Lambda lt 0 AdS)
• LHC ( Lambda gt 0 , bel effet quand Rs horizon)

Supersymetrie
Collaboration A. Lucotte (LPSC)
La prise en compte dynamique de lévaporation
ouvre des perspectives pour lémission de
particules SUSY et surtout section efficace
500 pbarn !
35
Trous noirs astrophysiques EDGB
Effet des termes dordres superieurs et
des perturbation temporelles OK
Alexeyev, Barrau, Boudoul, Sazhin, Class.
Quantum Grav., 19, 4431 (2002)
36
Fonctions métriques revisitées
Alexeyev, Barrau, Boudoul et al., Astronom.
Lett., 28, 7, (2002)
37
Evaporation dans la région de Planck
Hawking law
38
Flux intégré des reliques
39
Les gravitinos en cosmologie un vieux problème

• Photons
• Création de paires gamma-gamma
• Création de paires sur noyaux
• Scattering
• Compton
• Inverse-compton
• Egalement production de 7Li

Dgamma-gtnp Tgamma-gtnD Tgamma-gtpnn 3Hegamma
-gtpD 4Hegamma-gtpT 4Hegamma-gtn3He 4Hegamma-gtp
nD
Weinberg, Khlopov , Ellis
40
mode B dans le CMB ?
Si du mode B est mis en évidence dans le CMB, la
SUGRA est en difficulté il faut TRH gt 1016 GeV
! Or, TRHlt106 Gev Et sans SUGRA cest gt M_GUT
A. Barrau N. Ponthieu , Phys. Rev. D 69 (2004)
105021
41
Contraintes sur les paramètres du reheating et
sur la SUGRA
Limites inférieures sur T_RH
Limites inférieures sur m_3/2
A. Barrau N. Ponthieu , Phys. Rev. D 69 (2004)
105021
42
Matière noire
Dans le cadre BSI, les PBHs peuvent être
reconsidérés comme candidats à la matière noire
froide
A. Barrau, D.Blais, G.Boudoul , D. Polarski,
Ann. Phys. 13 (2004) 115

• Si MRH est très grande (supérieure à 1015 g) ,
  les PBHs deviennent de bons candidats

Pour M H,e 10 -15 g p ? 6.5 ?10 -4
Détection possible au-delà de 1022 g par émission
dondes gravitationnelles
43
Matiere noire de reliques

• Si MRH est petit (lt 109 g) , les reliques stables
  deviennent de bons candidats CDM

Pour M rel M P 3.9 ?10 -4 lt p lt 7.1 ?10 -4
A. Barrau, D.Blais, G.Boudoul , D. Polarski,
Ann. Phys. 13 (2004) 115
44
NOUVELLE LIMITE
Emission de gravitinos par les PBHs
nlt1.18 meilleure limite actuelle aux petites
échelles
M. Khlopov, A. Barrau, astro-ph/0406621
Running positif exclu
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Conclusion
Les trous noirs massifs sont fascinants Les
trous noirs quantiques le sont plus encore !