探索黑洞作为粒子加速器： hoop半径、靶粒子与逃逸条件

旋转黑洞可能成为天然粒子加速器的可能性一直备受激烈争论。尽管极端Kerr黑洞似乎可获得任意高的质心能量，但若干工作指出，理论和天体物理方面的论据都会严重抑制可获得的能量。本文通过回顾并扩展迄今提出的情景，研究Kerr黑洞附近的粒子碰撞。最值得注意的是，我们聚焦于近期提出的靶粒子情景，其声称即便对Schwarzschild黑洞也能达到任意高能量。通过实施hoop猜想，我们表明这些涉及近视界靶粒子的情景原则上能够获得亚普朗克、但仍属超高质的质心能量，量级为$10^{23}-10^{25}$ eV，即便对非极端Kerr黑洞亦然。此外，分析此类碰撞中产生粒子的性质，我们发现光子可逃逸至无穷远。然而，其能量仅与碰撞粒子能量同量级因而相对较低，这与先前文献关于原始Bañados--Silk--West过程所得结论相同。这一发现指向碰撞式Penrose过程的一个普遍局限，至少就其初级产物而言。