[論文レビュー] Black Hole Cross Section at the Large Hadron Collider

D. M. Gingrich|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2006

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 64被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、大いなるまたは歪んだ余剰次元のモデルにおける大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるブラックホール生成断面積の理論的推定値をレビューし、スピン、エネルギー損失、形成要因による断面積計算の不確実性に注目する。改善された断面積推定値に基づき、基礎的プランクスケールの下限を導出し、特に7つの余剰次元において、補正が断面積を最大3倍まで減少させることを示している。

ABSTRACT

Black hole production at the Large Hadron Collider (LHC) was first discussed in 1999. Since then, much work has been performed in predicting the black hole cross section. In light of the start up of the LHC, it is now timely to review the state of these calculations. We review the uncertainties in estimating the black hole cross section in higher dimensions. One would like to make this estimate as precise as possible since the predicted values, or lower limits, obtain for the fundamental Planck scale and number of extra dimensions from experiments will depend directly on the accuracy of the cross section. Based on the current knowledge of the cross section, we give a range of lower limits on the fundamental Planck scale that could be obtained at LHC energies.

研究の動機と目的

• 高次元重力モデルにおけるLHCにおけるブラックホール生成断面積の理論的計算の現状を評価すること。
• 断面積推定値における主要な不確実性、特に角運動量、閉じ込められたエネルギー、形成要因を特定・定量化すること。
• 保守的な断面積推定値に基づき、基礎的プランクスケールの改善された下限を提供すること。
• ブラックホール形成中に重力放射によるエネルギー損失が、粒子レベルの断面積に与える影響を評価すること。
• プランクスケールの異なる表記法（PDG対比 Dimopoulos-Landsberg）が断面積予測に与える影響を評価すること。

提案手法

• ブレーンに近い点粒子としてブラックホールを扱い、ブレーン場の効果が無視できると仮定する高次元時空における孤立物体としての近似を用いる。
• シュバルツシルト半径を表す R_S を用いた幾何的断面積近似 ∼πR_S² を用い、量子的および動的効果を補正するための形成要因を導入する。
• D次元におけるカー解を用いて角運動量の補正を実施し、D次元のアインシュタイン方程式からホライズン半径を導出する。
• 線形摂動理論および近接・ゆっくり近づく近似法を用いて、ブラックホール形成中の重力放射によるエネルギー損失を推定する。
• 有限の閉じ込められたエネルギーを仮定することで、ブラックホール形成に利用可能な有効質量を減らし、断面積の上限を導出する。
• プランクスケールの異なる表記法（PDG 対比 Dimopoulos-Landsberg）における断面積を比較し、7つの余剰次元において最大11.1の補正係数を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 角運動量およびエネルギー損失の補正は、LHCにおけるブラックホール生成断面積の予測にどのように影響するか？
• RQ2 高次元ブラックホール生成における形成要因の最大値は何か？また、余剰次元の数に依存するか？
• RQ3 衝突中の閉じ込められたエネルギーの不確実性は、基礎的プランクスケールの下限にどのように影響するか？
• RQ4 プランクスケールのPDG表記法とDimopoulos-Landsberg表記法の間で、断面積予測にどのような定量的差が生じるか？
• RQ5 古典的および摂動的重力放射モデルは、断面積推定値の正確さをどの程度向上させるか？

主な発見

• 単純な幾何的断面積 πR_S² では不十分であり、形成要因による補正により、7つの余剰次元では断面積が最大3倍まで低下する可能性がある。
• 衝突中の重力放射によるエネルギー損失は、ブラックホール形成に利用可能な有効質量を減少させ、結果として粒子レベルの断面積が低減する。
• 7つの余剰次元において、M_D = M_DL の条件下で、PDG表記法における断面積は、Dimopoulos-Landsberg表記法の11.1倍にのぼる。
• 最近の古典的および摂動的計算に基づき、7つの余剰次元における形成要因は最大で約3と推定される。
• 保守的な断面積推定値に基づき、基礎的プランクスケールの下限が導出され、その正確な値は仮定された形成要因およびエネルギー損失に依存する。
• 高次元における摂動的重力放射モデルは、以前の非摂動的推定値と一貫性がなく、現在の予測値に少なくとも2倍の誤差が生じる可能性を示唆している。