Published July 5, 2022 | Version v1
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Primordial black holes as dark matter and Hawking radiation constraints with BlackHawk

Description

Primordial black holes are central in numerous research since their first proposal. If they have a sufficient amplitude, primordial density inhomogeneities could have collapsed at the end of the inflation period, giving birth to black holes in the primordial universe, namely 'primordial black holes'. Primordial black holes are non-baryonic and non-relativistic. Hence, they appear as a perfect candidate for the 'dark matter', this non-luminous matter which is supposed to be five times more abundant than the ordinary matter in the big structures of the universe. Hawking showed that a black hole in not entirely 'black', but emits a continuous radiation as a black body with a temperature inversely proportional to its mass. This 'Hawking radiation' has two major consequences. The first one is that black holes continuously lose mass because of their 'evaporation' due to Hawking radiation. The second one is that black holes can be seen. The continuous emission has consequences on the medium around the primordial black holes. There exists a narrow window for which primordial black holes are sufficiently massive so that they are stable at the scale of the age of the universe, but sufficiently light so that their only gravitational effect comes from their global density. These are precisely the dark matter candidates mentioned earlier. Hawking radiation could be the only mean of detection of these black holes. It is thus primordial to compute it as precisely as possible, in order to obtain predictions either on the expected signals in astronomical surveys, or on the best design of future instruments to observe them. This is how BlackHawk was born: a public and free code currently at version 2.1. BlackHawk computes the Hawking radiation of a distribution of black holes, which can have different mass, charge and angular momentum. Then, BlackHawk uses particle physics codes to take into account interactions between emitted particles and their possible decay. This thesis manuscript gathers all the work I have done these last years, mostly with BlackHawk. There are two kinds of studies. Firstly, studies that consist in computing the Hawking radiation of a distribution of primordial black holes and in comparing it to astronomical data, in order to deduce a constraint on their abundance. I have performed several studies of that type, in particular concerning black holes with a distribution of mass and spin. I have demonstrated that despite recent progress in theory and observation, the existing constraints suffer from considerable uncertainties. Secondly, studies that deal with the theory of black hole evolution due to evaporation. I studied in particular the evolution of rotating black holes and their lifetime. I have also obtained the formulas that allow to compute the Hawking radiation of a large class of non-standard black holes; constraints are modified. Finally, black holes can produce fields beyond the Standard Model, like particle dark matter, which was the subject of a dedicated study. The release of BlackHawk announces an era of precision in the study of primordial black holes, concomitant with the construction of new instruments. (author)

Abstract (French)

Les trous noirs primordiaux sont au coeur d'un grand nombre de recherches depuis l'epoque de la decouverte du principe de leur existence. Si elles ont atteint une amplitude suffisante, des perturbations de densite ont pu s'effondrer gravitationnellement apres la periode d'inflation, ce qui a pu donner naissance a des trous noirs dans l'univers primordial, autrement dit des 'trous noirs primordiaux'. Les trous noirs primordiaux sont non-baryoniques et non-relativistes. Ainsi, ils apparaissent comme un candidat parfait pour la 'matiere noire', cette matiere non-lumineuse qui est supposee etre cinq fois plus abondante que la matiere ordinaire dans les grandes structures de l'univers. Hawking a demontre qu'un trou noir n'est de fait pas tout a fait 'noir', mais qu'il emet un rayonnement continu comme s'il etait un corps noir d'une temperature inversement proportionnelle a sa masse. Ce 'rayonnement de Hawking' a deux consequences majeures. La premiere, c'est qu'un trou noir perd de la masse au court du temps a cause de son 'evaporation' par rayonnement de Hawking. La seconde est qu'un trou noir peut etre vu. Cette emission continue est associee a des consequences sur le milieu environnant les trous noirs primordiaux. Il existe une etroite fenetre pour laquelle les trous noirs primordiaux seraient a la fois suffisamment massifs pour etre stables a l'echelle de l'age de l'univers, et suffisamment petits pour n'avoir aucun effet gravitationel autre que leur densite globale. Ces trous noirs primordiaux sont justement les candidats a la matiere noire mentionnes plus haut. Le rayonnement de Hawking pourrait etre la seule maniere de les detecter. Il est donc primordial de le calculer le plus precisement possible, afin d'obtenir des predictions soit sur les signaux a chercher dans les donnees astronomiques, soit sur les meilleurs instruments a construire pour les observer. C'est ainsi qu'est ne BlackHawk: un code libre et gratuit qui en est a sa version v2.1. BlackHawk calcule le rayonnement de Hawking d'une distribution de trous noirs, qui peuvent avoir des masses, des charges electriques ou des vitesses de rotation differentes. Ensuite, BlackHawk utilise differents codes de physique des particules pour prendre en compte les interactions entre particules emises, ainsi que leur potentielle desintegration. Ce manuscrit de these rassemble tous les travaux que j'ai menes au cours de ces dernieres annees, principalement avec BlackHawk. Ils sont de deux sortes. Premierement, il y a les travaux qui consistent a calculer le rayonnement de Hawking d'une distribution de trous noirs primordiaux et a comparer ce rayonnement a des donnees astronomiques, dans le but d'en tirer une contrainte sur leur abondance. J'ai mene plusieurs etudes de ce type, notamment sur les trous noirs en rotation avec une distribution etendue. J'ai aussi pu ainsi demontrer que malgre des progres recents en matiere de theorie et d'observations, les contraintes existantes souffrent d'une marge d'erreur considerable. Deuxiemement, il y a les travaux theoriques sur les proprietes et l'evolution des trous noirs dues a leur evaporation. J'ai etudie notamment la duree de vie et l'evolution du moment angulaire de trous noirs en rotation. J'ai egalement obtenu les formules qui permettent de calculer le rayonnement de Hawking d'une large classe de trous noirs non standards; les contraintes en sont modifiees. Enfin, les trous noirs primordiaux peuvent produire des champs au-dela du Modele Standard, notamment des particules de matiere noire, ce qui a fait l'objet d'une etude a part entiere. Le developpement de BlackHawk annonce une ere de precision numerique dans l'etude des trous noirs primordiaux, appuyee par le lancement de nouveaux instruments d'observation. (auteur)

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Original title (English)
Les trous noirs primordiaux comme candidats a la matiere noire et les contraintes sur leur radiation de Hawking avec BlackHawk

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Imprint Pagination
761 p.
Report number
FRNC-TH--14804

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