[論文レビュー] Black Hole Production Rates at the LHC: Still Large

Thomas G. Rizzo|ArXiv.org|Nov 19, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、余剰次元と低エネルギーの基本的プランクスケール（$M_*$）の仮定の下で、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるブラックホール（BH）生成率を調査する。ボローシンが提唱した指数的抑制因子が幾何的断面積を緩和する可能性があるものの、この研究では、特に $M_* \leq 3$ TeV および $M_{BH}^{\text{min}} \approx 5$ TeV の場合、パートン密度と抑制効果の相乗作用により、BH生成率が広範なモデルパラメータ範囲で依然として大きく、観測可能であることが判明した。

ABSTRACT

We examine the rates for the production of black holes(BH) at the LHC in light of the exponential suppression of the geometric cross section estimate proposed by Voloshin. We show that these rates will still be quite large over a reasonable range of model parameters. While BH production may not be the dominant process, its unique signature will ensure observability over conventional backgrounds.

研究の動機と目的

• LHCにおけるブラックホール生成率が、幾何的断面積の指数的抑制が提案された場合でも観測可能であるかどうかを評価すること。
• ボローシンの減衰因子が、余剰次元と低エネルギーの $M_*$ を持つモデルにおけるBH生成断面積に与える影響を評価すること。
• Giddings-ThomasおよびDimopoulos-Landsbergフレームワークの両方の下で、抑制ありおよび抑制なしの状況における予測を比較すること。
• 100 fb$^{-1}$ の放射光強度を持つLHCにおいて、BH生成率が検出可能閾値を超える $M_*$ および $M_{BH}^{\text{min}}$ の範囲を特定すること。
• ブラックホールがヒッグス放射を介して多数のパートンに崩壊するという独自の崩壊シグナルが、断面積が小さくなっても観測可能であることを確立すること。

提案手法

• 幾何的近似 $\hat{\sigma} \simeq \pi R_S^2$ を用いてパートンレベルの断面積を計算し、$\delta$ 個の余剰次元に対して $R_S \sim (M_{BH}/M_*^{2+\delta})^{1/(1+\delta)}$ と表される。
• 幾何的断面積にボローシンの抑制因子 $S = \exp\left[-C (M_{BH}/M_*)^{(2+\delta)/(1+\delta)}\right]$ を適用し、予測される生成率を修正する。
• 全断面積は、$\sigma = \int d\tau \int dx/x \sum_{ab} f_a(x)f_b(\tau/x) \hat{\sigma}(M_{BH})$ を用いてパートン分布関数と畳み込み計算することで得られる。
• Giddings-Thomas（GT）およびDimopoulos-Landsberg（DL）の二つのフレームワークを比較する。両者は $M_*$ の定義が異なり、$R_S$ の $\delta$ 依存性も異なる。
• 数値的結果は、$M_* = 1$, 2, 3 TeV、$M_{BH}^{\text{min}} = 5$ TeV の条件下で、$\delta = 2$ から $6$ の余剰次元について提示される。
• ブラックホールの独自の崩壊シグナル（球対称に約25個以上のパートンにヒッグス放射する）に基づき、標準模型の背景と区別できるため、断面積が小さくなっても観測可能であると評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボローシンの抑制因子は、LHCにおけるブラックホール生成率を顕著に低下させるか？
• RQ2 抑制の下で、Giddings-ThomasフレームワークとDimopoulos-Landsbergフレームワークの両方がBH断面積をどのように予測するかを比較するとどうなるか？
• RQ3 100 fb$^{-1}$ の放射光強度を持つLHCにおいて、BH生成率が観測可能である範囲の $M_*$ および $M_{BH}^{\text{min}}$ はどのようになるか？
• RQ4 ブラックホールの独自の崩壊シグナル（ヒッグス放射による約25個以上のパートンへの崩壊）は、断面積が抑制された場合でも、その検出を保証できるか？
• RQ5 $M_*$ を増加させると、ボローシンの抑制因子の相対的効果はどのように変化するか？

主な発見

• ボローシンの指数的抑制が加わっても、$M_* \leq 3$ TeV および $M_{BH}^{\text{min}} = 5$ TeV の場合、LHCにおけるBH生成断面積は依然として大きく、一部のパラメータ領域では100～1000 fbに達する。
• Giddings-Thomasフレームワークは、シュバルツシルト半径が大きいため、Dimopoulos-Landsbergよりも高い断面積を示すが、ボローシン因子による抑制もより強く受ける。
• $M_* = 1$ TeV および $M_{BH}^{\text{min}} = 5$ TeV の場合、$\delta = 2$ から $6$ の次元範囲で断面積は100 fbを超えることが確認され、抑制があっても観測可能である。
• $M_*$ が3 TeVに増加すると、指数部の $M_{BH}/M_*$ の比が低下するため、ボローシン抑制の効果が弱くなり、減衰効果が減少する。
• ブラックホールの独自の崩壊シグナル（球対称に約25個以上のパートンにヒッグス放射する）により、断面積が小さくなっても、従来の背景を超えて観測可能であることが保証される。
• 本研究は、ボローシン抑制の保守的仮定のもとでも、LHCにおけるBH生成が広範なモデルパラメータ範囲で実現可能で、検出可能であると結論づけた。