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Dirac and Majorana neutrino signatures of primordial black holes
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ( IF 6.4 ) Pub Date : 2020-08-06 , DOI: 10.1088/1475-7516/2020/08/014
Cecilia Lunardini 1 , Yuber F. Perez-Gonzalez 2, 3, 4
Affiliation  

We study Primordial Black Holes (PBHs) as sources of massive neutrinos via Hawking radiation. Under the hypothesis that black holes emit neutrino mass eigenstates, we describe quantitatively how the PBH evolution and lifetime is affected by the mass and fermionic -- Dirac or Majorana -- nature of neutrinos. In the case of Dirac neutrinos, PBHs radiate right-handed and left-handed neutrinos in equal amounts, thus possibly increasing the effective number of neutrino species, $N_{\rm eff}$. Assuming an initially monochromatic PBH mass spectrum, with the initial mass $M_i$ related to the particle horizon mass, and considering the current constraint on $N_{\rm eff}$, we derive a bound on the initial PBH fraction $\beta^\prime$ in the interval $4.3\times 10^7\ {\rm g}\lesssim M_i \lesssim 10^9$ g. Future measurements of $N_{\rm eff}$ may be able to constraint the initial fraction for black hole masses as low as 1 g. If an excess in $N_{\rm eff}$ is found, PBHs with Dirac neutrinos could provide a minimal explanation of it. For example, for $10^7\ {\rm g} \lesssim M_i\lesssim 10^9$ g and $\beta^\prime \gtrsim 10^{-13}$, an excess radiation at the level of $0.2\lesssim \Delta N_{\rm eff}\lesssim 0.37$ is produced, which can alleviate the tension of the Hubble parameter measurements. Finally, we obtain the diffuse flux of right-helical neutrinos from PBHs at the Earth, and show that their detection in a PTOLEMY-like detector (using neutrino capture on tritium) would be difficult.

中文翻译:

原始黑洞的狄拉克和马约拉纳中微子特征

我们通过霍金辐射研究原始黑洞 (PBH) 作为大量中微子的来源。在黑洞发射中微子质量本征态的假设下,我们定量地描述了 PBH 演化和寿命如何受到质量和费米子 - 狄拉克或马约拉纳 - 中微子性质的影响。在狄拉克中微子的情况下,PBH 以等量辐射右手和左手中微子,从而可能增加中微子种类的有效数量 $N_{\rm eff}$。假设初始单色 PBH 质谱,初始质量 $M_i$ 与粒子视界质量相关,并考虑当前对 $N_{\rm eff}$ 的约束,我们推导出初始 PBH 分数 $\beta^ \prime$ 区间 $4.3\times 10^7\ {\rm g}\lesssim M_i \lesssim 10^9$ g。$N_{\rm eff}$ 的未来测量可能能够将黑洞质量的初始分数限制为低至 1 g。如果发现 $N_{\rm eff}$ 过量,带有狄拉克中微子的 PBH 可以提供一个最小的解释。例如,对于 $10^7\ {\rm g} \lesssim M_i\lesssim 10^9$ g 和 $\beta^\prime \gtrsim 10^{-13}$,$0.2\lesssim 水平的过量辐射\Delta N_{\rm eff}\lesssim 0.37$ 产生,可以缓解哈勃参数测量的紧张。最后,我们从地球的 PBH 获得了右螺旋中微子的漫射通量,并表明它们在类似 PTOLEMY 的探测器(使用氚上的中微子捕获)中的探测是困难的。带有狄拉克中微子的 PBH 可以提供对此的最小解释。例如,对于 $10^7\ {\rm g} \lesssim M_i\lesssim 10^9$ g 和 $\beta^\prime \gtrsim 10^{-13}$,$0.2\lesssim 水平的过量辐射\Delta N_{\rm eff}\lesssim 0.37$ 产生,可以缓解哈勃参数测量的紧张。最后,我们从地球的 PBH 获得了右螺旋中微子的漫射通量,并表明它们在类似 PTOLEMY 的探测器(使用氚上的中微子捕获)中的探测是困难的。带有狄拉克中微子的 PBH 可以提供对此的最小解释。例如,对于 $10^7\ {\rm g} \lesssim M_i\lesssim 10^9$ g 和 $\beta^\prime \gtrsim 10^{-13}$,$0.2\lesssim 水平的过量辐射\Delta N_{\rm eff}\lesssim 0.37$ 产生,可以缓解哈勃参数测量的紧张。最后,我们从地球的 PBH 获得了右螺旋中微子的漫射通量,并表明它们在类似 PTOLEMY 的探测器(使用氚上的中微子捕获)中的探测是困难的。
更新日期:2020-08-06
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