[論文レビュー] Black Holes at the LHC

Panagiota Kanti|ArXiv.org|Feb 15, 2008

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 118被引用数 46

ひとこと要約

本稿は、ラージ・エキストラ・ディメンションやワーブド・エキストラ・ディメンションといった高次元重力モデルにおいて、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）でマイクロスコピックブラックホールを生成する理論的可能성을調査する。ブラックホール生成の基準、ブレーン上およびバルク内でのホーキング放射のスペクトル、および100–600 GeVの範囲で観測可能な熱的粒子放出といった特徴を特定し、それらを用いて基礎的なプランクスケールおよび余剰次元を探索可能である。

ABSTRACT

In these two lectures, we will address the topic of the creation of small black holes during particle collisions in a ground-based accelerator, such as LHC, in the context of a higher-dimensional theory. We will cover the main assumptions, criteria and estimates for their creation, and we will discuss their properties after their formation. The most important observable effect associated with their creation is likely to be the emission of Hawking radiation during their evaporation process. After presenting the mathematical formalism for its study, we will review the current results for the emission of particles both on the brane and in the bulk. We will finish with a discussion of the methodology that will be used to study these spectra, and the observable signatures that will help us identify the black-hole events.

研究の動機と目的

• 高次元重力モデルにおけるLHCでの粒子衝突によるマイクロスコピックブラックホール生成の可能性を評価すること。
• ブラックホール形成が発生する条件、特にエネルギー閾値および幾何的基準を特定すること。
• ブレーン上およびバルク内での高次元ブラックホールからのホーキング放射の放射スペクトルをモデル化すること。
• ブラックホールイベントを確認できる観測可能なシグナチャー（例：熱的粒子スペクトルおよびエネルギー分布）を特定すること。
• 測定された放射スペクトルを用いて、余剰次元の数、基礎的プランクスケール、および宇宙定数といった基本的パラメータを推定する方法を検討すること。

提案手法

• ラージ・エキストラ・ディメンションやワーブド・エキストラ・ディメンションを有する時空における高次元アインシュタイン場の方程式を用いてブラックホール生成をモデル化する。
• 2つの衝突する粒子がブラックホールを形成するかどうかを、エネルギーおよび衝突パラメータに基づいて境界値問題の手法を適用して評価する。
• 曲がった時空における量子場理論を含むホーキング放射の数学的形式を用いて放射率を計算する。
• スピン0、スピン1/2、スピン1、スピン2のさまざまな粒子種別について、ブレーン上およびバルク内での微分エネルギー放射率を分析する。
• 数値的および解析的技法を用いて、ブラックホール蒸発のスピンダウン段階およびシュバルツシルト段階における放射スペクトルを計算する。
• ブラックホールイベントジェネレータを構築し、実験的比較を想定した観測可能な粒子放出パターンをシミュレート・予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次元重力モデル下で、LHCにおける高エネルギー衝突においてマイクロスコピックブラックホールがどのような条件下で生成可能か。
• RQ2 高次元ブラックホールの性質（例：事象の地平線半径、温度、寿命）は、4次元ブラックホールとどのように異なるか。
• RQ3 ホーキング放射の形およびエネルギー分布は、ブレーン上およびバルク内にどのように現れ、粒子スピンおよび時空次元数に依存するか。
• RQ4 観測された放射スペクトルを用いて、余剰次元の数、基礎的プランクスケール、または宇宙定数を推定できるか。
• RQ5 LHCにおけるブラックホールイベントの最も特徴的かつ検出可能なシグナチャーは何か。また、それらは標準模型の背景とどのように区別できるか。

主な発見

• LHCにおけるブラックホール生成は、中心系質量エネルギーが約8 TeVを超えると実現可能となり、1日あたり少なくとも数件のブラックホールイベントが得られる見込みである。
• 高次元ブラックホールの事象の地平線半径は、質量が同じ4次元ブラックホールに比べて顕著に大きい。これは余剰次元における重力の強度増加に起因する。
• LHCで生成されたブラックホールからのホーキング放射は、100–600 GeVの範囲にピークを持つ熱的スペクトルを示すと予想され、このエネルギー範囲に対応するブラックホール温度に相当する。
• 微分エネルギー放射率は、粒子スピン、時空次元数、および角運動量の有無に依存し、スピンダウン段階では明確な方位分布を示す。
• ブレーン上での放射が観測信号を支配するが、バルク内への放射はブレーン検出に利用可能なエネルギーを減少させるため、イベントモデル化においてこれを考慮する必要がある。
• 放射スペクトルは、背後に潜む重力的背景の情報を保持しており、実験的解析により余剰次元の数、基礎的プランクスケール、およびその他の主要パラメータを再構成可能である。