[論文レビュー] Black Holes at Future Colliders and Beyond - a Review

G. Landsberg|ArXiv.org|Nov 5, 2002

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、高次元の追加を仮定した場合に、将来の衝突型加速器および超高エネルギー宇宙線でミニブラックホールを生成・検出する理論的枠組みをレビューしている。この仮定のもと、ブラックホールからのホーキング放射が標準模型粒子に支配され、最小限の欠落エネルギーを伴い、特徴的で即時の高多重度最終状態を生成する。これは、量子重力の検証および追加次元の探査に特異なシグナルを提供する。

ABSTRACT

As was suggested about a year ago, one of the most dramatic consequences of low-scale (~1 TeV) quantum gravity is copious production of mini black holes at future accelerators and in ultra-high-energy cosmic ray collisions. Hawking radiation of these black holes is constrained mainly to our (3+1)-dimensional world and results in rich phenomenology. With the original idea having been cited over a hundred times since its appearence, we review the current status of astrophysical observations of black holes and selected topics in the mini black hole phenomenology, such as production rates at colliders and in cosmic rays, Hawking radiation as a sensitive probe of the dimensionality of extra space, as well as an exciting possibility of finding new physics in the decays of black holes.

研究の動機と目的

• 大次元の追加を仮定したモデルのもと、将来の衝突型加速器および超高エネルギー宇宙線衝突におけるミニブラックホール生成の可能性と臨床的性質を評価すること。
• これらのブラックホールからのホーキング放射が、時空の次元数および量子重力の性質をどのように探査できるかを検討すること。
• 衝突型加速器および宇宙線実験がブラックホール事象を検出する可能性と、バルク幾何構造および新しい物理の情報を抽出する能力を評価すること。
• ブラックホールがバルクで形成された後、我々の3-braneに再進入する可能性を調査し、brane 上で観測可能な崩壊を引き起こすかを検討すること。
• 標準模型背景と区別できる主要な実験的シグナル（例：硬い、即時の、高多重度最終状態で欠落エネルギーが最小限）を特定すること。

提案手法

• 大次元の追加（ADDシナリオ）を伴う高次元重力モデルに、半古典的ホーキング放射形式を適応させ、基礎的プランクスケールを約1 TeVに低下させる。
• 高エネルギー衝突におけるブラックホール生成の断面積公式を適用し、中心系エネルギーの二乗に比例し、追加次元の数に比例して増幅されることを示す。
• 粒子のフレーバーに依存しないスペクトルを持つ熱放射としてブラックホール崩壊をモデル化し、光子、レプトン、クォークの豊富な放出を予測する。
• 生産率（例：MP = 1 TeVの場合にLHCで約1 Hz）の推定と最終状態のシグナル分析により、衝突型加速器実験でのブラックホール検出可能性を評価する。
• 地球スクリーニングニュートリノを用いた宇宙線検出を検討し、大気または地球内でブラックホールが形成されるとニュートリノが吸収され、特異なシグナルをもたらす可能性がある。
• バルクで低効果的プランクスケール（例：無限体積モデルでは約0.01 eV）を持つブラックホールが形成されるシナリオを分析し、安定化し、後にbraneに再進入することで、brane上での高エネルギー崩壊を引き起こす可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大次元の追加を仮定したモデルのもと、将来の衝突型加速器および超高エネルギー宇宙線でミニブラックホールがどの程度の割合で生成されるか？
• RQ2 ブラックホールからのホーキング放射が、追加空間次元の数をどのように探査できるか？
• RQ3 標準模型背景と区別できるブラックホール事象の特徴的な実験的シグナルは何か？
• RQ4 追加次元のバルクで形成されたブラックホールが、後に我々の3-braneに再進入し、観測可能な崩壊を引き起こす可能性はあるか？
• RQ5 現在および将来の宇宙線検出器を用いて、大次元の追加を仮定したモデルにどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• 基礎的プランクスケールが1 TeVの場合、小さな結合定数が存在しないため、断面積が大きく、LHCでは約1秒間に1個の割合でミニブラックホールが生成される可能性がある。
• ブラックホールからのホーキング放射はフレーバーに依存せず、光子、レプトン、クォークを含む標準模型粒子の豊富なスペクトルを生成する。特に、欠落エネルギーが最小限で、硬い、即時の光子および電荷を持つレプトンが観測される。
• ブラックホール崩壊における欠落エネルギーの欠如により、ブラックホール質量および温度の正確な再構築が可能となり、ホーキング放射則の検証が可能になる。
• LHCが稼働する前から、宇宙線検出器がブラックホール事象を観測する可能性がある。特に、大気または地球内でブラックホールが形成されると、地球スクリーニング高エネルギーニュートリノが吸収され、特異なシグナルをもたらす。
• 非常に低い効果的プランクスケール（例：約0.01 eV）を持つバルクで形成されたブラックホールは安定化し、braneに再進入した場合、エネルギーが約10^18 GeVの粒子約10個に崩壊し、大型の通常爆弾と同等のエネルギーを放出する可能性がある。
• バルクブラックホールがbraneに再進入することで、観測可能な高エネルギー事象が生じ、超高エネルギー宇宙線の起源を示す新しいメカニズムを提供する可能性がある。