The unification of black holes and elementary particles is at the center of theoretical physics today and astroparticle physics. It has long been searched, but never successfully accomplished. For the first time, this unification is proposed in a conceptual way, by a researcher in Paris Observatory, and includes the primordial states of the universe : the states describing inflation (whose existence is supported by the recent cosmic microwave background observations) and the states describing an earlier (more microscopic or more quantum) phase for which is predicted a discrete spectrum and a new phase transition. This phase transition would be the quantum gravity counterpart of the (non linear) Jeans instability with cosmological constant and with a more complex and richer structure. The classical-quantum (de Broglie) duality at the basis of quantum mechanics is here extended to the quantum gravity or string regime (that is, wave-particle-string duality). Remarkably, this classical-semiclassical-quantum gravity duality precisely describes the whole history of black hole evaporation and the universe evolution.

Macroscopic black holes arise through the gravitational collapse of stellar bodies. Microscopic black holes could arise from high density concentrations (of the order of the Planck energy scale) in the early universe, as well as from the collisions of particles at such energy scales. Microscopic black holes are necessarily quantum and their properties governed by quantum or semiclassical gravity, evaporation through Hawking radiation is a typical effect of these black holes. Microscopic black holes share in some respects analogies with elementary particles, and on the other hand, show many important differences. A theory of quantum gravity, or "theory of everything" such as string theory, should account for an unified and consistent description of both black holes and elementary particles, and the physics of the early universe as well.

Hawking radiation from a black hole : a pair "particle" (P, red) and "anti-particle" (A, green) is created, and while the anti-particle is attracted and annihilated in the black hole, the particle escape. The black hole has lost mass. Basic open string  

Basic close string (loop)

In string theory, the elementary particles are considered as excitation modes of elementary strings. Since they are built for a theory of quantum gravity, the size of the strings are supposed of the order of the Planck length, which is about 10-33 centimeters (illustrations from http://superstringtheory.com). de Sitter states are relevant since they describe the inflation era of the early universe and most probably, the acceleration of the present universe ; they correspond to a positive cosmological constant. Anti de Sitter states correspond to a negative cosmological constant, they appear in particle unification models and allow interesting comparison between the positive and negative cosmological constant effects.A conceptual unification of the quantum properties of black holes, elementary particles, de Sitter and Anti de Sitter states has been recently provided by Norma G. Sanchez (see article hep-th/0312018). The conducting line of argument is the classical-quantum (de Broglie, Compton) duality, at the basis of quantum mechanics, here extended to the quantum gravity (string) regime (that is, wave-particle-string duality). The semiclassical and quantum (string) gravity regimes are thus respectively characterized and related : sizes, masses, accelerations and temperatures. The Hawking temperature, elementary particle and string temperatures are shown to be the same concept in different energy regimes and turn out to be the precise classical-quantum duals of each other. Similarly, this result holds for the black hole decay rate, heavy particle and string decay rates ; black hole evaporation ends as quantum string decay into pure (non mixed) non thermal radiation.Microscopic density of states and entropies in the two (semiclassical and quantum) gravity regimes are derived and related, an unifying formula for black holes, de Sitter and anti-de Sitter states is provided in the two regimes. Interestingly enough, a phase transition towards the de Sitter string temperature (which is shown to be the precise quantum dual of the semiclassical (Hawking-Gibbons) de Sitter temperature) is found and characterized, and the quantum discrete mass spectrum of black holes, de Sitter and anti de Sitter radii or cosmological constant obtained.This is not an assumed or conjectured duality : the results of quantum fields and strings in black holes, de Sitter, Anti-de Sitter and conformal string backgrounds remarkably show these relations. And, as the wave-particle duality, this semiclassical-quantum gravity duality does not relate to the number of dimensions, nor to a particular symmetry. Cosmological evolution goes from a quantum string phase to a semiclassical phase (inflation) and then to the classical (standard Friedman-Robertson-Walker) phase. Remarkably, the wave-particle-string duality precisely manifests in this evolution, and can be viewed as a mapping between asymptotic states and so as a scattering -matrix description. These findings do not make use of conjectures, proposals, principles, (CPP’s) formulated in the last years in connection with string theory. String dynamics in curved backgrounds started well before CPP’s, many results for strings in curved backgrounds addressed nowadays (strings on Anti-de Sitter, on plane waves, semiclassical and canonical string quantization, rotating strings, null strings, integrable string equations, time dependent string backgrounds) can be found in the references below and refs therein.

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References : N. G. Sanchez Conceptual unification of elementary particles, black holes, quantum de Sitter and Anti de Sitter string states (Phys Rev D) hep-th/0312018

M. Ramon Medrano and N.Sanchez, MPLA18, 2537 (2003). H.J. de Vega and N. Sanchez, Phys Rev D67, 125019 (2003). N.G. Sanchez, IJMPA 18, 2011 (2003) ; IJMPA 18, 4797 (2003). Paris Observatory News April 2000, Black hole evaporation and string theory "M. Ramon Medrano and N.Sanchez, Phys Rev D61, 084030 (2000).

Contact

Norma Sanchez (Observatoire de Paris, LERMA)

Dernière modification le 4 mars 2013

L’unification des trous noirs et des particules élémentaires est au centre de la physique théorique aujourd’hui et de la physique des astro-particules. Elle a été longtemps recherchée, mais jamais accomplie avec succès. Pour la première fois, cette unification est proposée d’une manière conceptuelle, par un chercheur à l’Observatoire de Paris, et inclut les états primordiaux de l’univers : les états décrivant l’inflation (dont l’existence est étayée par les observations récentes du fond cosmique micro-onde) et les états décrivant une phase antérieure (plus microscopique ou plus quantique) où est prévu un spectre discret et une nouvelle transition de phase. Cette transition de phase serait la contre-partie en gravité quantique de l’instabilité de Jeans (non linéaire) avec constante cosmologique et avec une structure plus complexe et plus riche. La dualité classique-quantique (de Broglie) àla base de la mécanique quantique est ici prolongée àla gravité quantique ou au régime de corde (c’est-à-dire, dualité onde-particule-corde). Remarquablement, cette dualité de la gravité classique-semiclassique-quantique décrit avec précision l’histoire entière de l’évaporation des trous noirs et l’évolution de l’univers. Les trous noirs macroscopiques viennent de l’effondrement gravitationnel des étoiles massives. Les trous noirs microscopiques pourraient résulter des concentrations à haute densité (de l’ordre de l’énergie de Planck) dans l’univers jeune, comme des collisions de particules à de telles énergies. Les trous noirs microscopiques sont nécessairement quantiques et leurs propriétés régies par la gravité quantique ou semiclassique, l’évaporation par le rayonnement d’Hawking est un effet typique de ces trous noirs. Les trous noirs microscopiques partagent sous certains aspects des analogies avec les particules élémentaires, et d’autre part, sont très différents. Une théorie de la gravité quantique, ou la "théorie de tout" comme la théorie des cordes, devrait fournir une description unifiée et cohérente des trous noirs et des particules élémentaires, et de même la physique de l’univers jeune.

Rayonnement de Hawking d’un trou noir : une paire "particule" (P, rouge) et "anti-particule" (A, vert) est créée, et tandis que l’anti-particule est attirée et annihilée dans le trou noir, la particule s’échappe. Le trou noir a perdu de la masse. Corde de base ouverte  Corde de base fermée (boucle) Dans la théorie des cordes, les particules élémentaires sont considérées comme les modes d’excitation des cordes élémentaires. Puisqu’elles sont construites pour une théorie de la gravité quantique, la taille de ces cordes est supposée de l’ordre de la longueur de Planck, qui est environ 10-33 centimétres (illustrations de http://superstringtheory.com). Les états de de Sitter sont appropriés puisqu’ils décrivent l’inflation de l’univers jeune et, très probablement l’accélération de l’univers actuel ; ils correspondent à une constante cosmologique positive. Les états Anti de Sitter correspondent à une constante cosmologique négative, ils apparaissent dans les modèles d’unification de particules et permettent la comparaison entre les effets de constantes cosmologiques positive et négative. Une unification conceptuelle des propriétés quantiques des trous noirs, des particules élémentaires, et des états de Sitter et Anti de Sitter a été récemment proposée par Norma G. Sanchez (voir l’article hep-th/0312018). L’argumentation est la dualité classique-quantique (de Broglie, Compton), à la base de la mécanique quantique, ici prolongée au régime de gravité quantique (corde, c’est-à-dire, dualité onde-particule-corde). Les régimes semiclassique et quantique (corde) de la gravité sont respectivement caractérisés ainsi et reliés : tailles, masses, accélérations et températures. La température de Hawking, celles des particules élémentaires et des cordes s’avèrent le même concept dans différents régimes d’énergie et sont au sens classique-quantique précisément conjugués l’un de l’autre. De même, ce résultat s’applique au taux de désintégration du trou noir, de la particule lourde et des cordes ; l’évaporation d’un trou noir comme la désintégration d’une corde quantique, se termine en rayonnement non thermique pur (non mélangé). La densité microscopique des états et les entropies dans les deux (semiclassique et quantique) régimes de la gravité sont dérivées et reliés, une formule d’unification pour les trous noirs, les états de Sitter et Anti de Sitter est fournie dans les deux régimes. Une transition de phase vers la température de corde de de Sitter (qui s’avère le dual quantique de la température semiclassique de de Sitter (Hawking-Gibbons)) est trouvée et caractérisée, de même que le spectre de masse discret des trous noirs, des rayons de de Sitter et Anti de Sitter ou de la constante cosmologique. Ce n’est pas qu’une hypothèse de dualité : les résultats des champs quantiques et des cordes dans les trous noirs, les états de Sitter, Anti-De Sitter et les fonds de cordes conformes montrent remarquablement ces relations. Et, comme la dualité onde-particule, cette dualité de la gravité semiclassique-quantique ne dépend pas du nombre de dimensions, ni d’une symétrie particulière. L’évolution cosmologique va d’une phase de corde quantique à une phase semiclassique (inflation) et puis à la phase classique (standard Friedman-Robertson-Walker). Remarquablement, la dualité onde-particule-corde se manifeste avec précision dans cette évolution, et peut être regardée comme correspondance entre les états asymptotiques, ou décrite comme une matrice de diffusion. Ces résultats ne se servent pas des conjectures, propositions, principes, (CPP’s) formulés ces dernières années en liaison avec la théorie des cordes. La dynamique des cordes dans les espaces courbes ont commencés bien avant CPP’s, beaucoup de résultats pour des cordes dans les espaces courbes adressés de nos jours (les cordes sur Anti-de Sitter, sur les ondes planes, quantisation des cordes canonique et semiclassique, cordes tournantes, cordes nulles, équations intégrables de corde, espaces de cordes dépendants du temps) peuvent être trouvés dans les références ci-dessous.

Références : N. G. Sanchez Conceptual unification of elementary particles, black holes, quantum de Sitter and Anti de Sitter string states (Phys Rev D) hep-th/0312018 M. Ramon Medrano and N.Sanchez, MPLA18, 2537 (2003). H.J. de Vega and N. Sanchez, Phys Rev D67, 125019 (2003). N.G. Sanchez, IJMPA 18, 2011 (2003) ; IJMPA 18, 4797 (2003). Paris Observatory News April 2000, Black hole evaporation and string theory "M. Ramon Medrano and N.Sanchez, Phys Rev D61, 084030 (2000). Contact

Norma Sanchez (Observatoire de Paris, LERMA)

Dernière modification le 22 février 2013