[論文レビュー] Mini-Black-Hole production at RHIC and LHC

Elias Kiritsis, Anastasios Taliotis|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2011

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、QCDの重力双対記述を介して、RHICおよびLHCにおける重イオン衝突でミニブラックホールが生成可能であると提唱している。ブラックホール生成は、1つの追加次元を持つ5次元の漸近的にAdSな空間におけるショック波の衝突から生じる。伝統的なホーキング蒸発とは異なり、崩壊はバブル核生成を経て発生し、高多重度でレプトンをほとんど含まない最終状態が得られ、Bjorkenスケーリングを示す。また、閉じ込められたIR背景の下で、AdSを超える速さでエントロピーがスケーリングするのを予測する。

ABSTRACT

We argue that heavy-ion collisions provide the best testing ground for mini-black hole physics as $M_P\simeq 4 GeV$ for the gravity dual of YM and give concrete evidence for a new extra dimension, that is visible only to the strong interactions. We analyse the process of production evolution and decay of the mini-black-holes by using recent results on gravity duals of YM. There are several novelties compared with the traditional story of black hole evaporation, including Bjorken scaling instead of sphericity, evaporation via bubble nucleation instead of the Hawking mechanism and lepton-poor final states. Multiplicities are estimated using shock-wave scattering techniques. It is argued that high-multiplicity/high energy pp collisions will also show similar characteristics of mini-black-hole production and decay.

研究の動機と目的

• ゲージ-重力双対性を用いて、ミニブラックホール物理学の実験的検証のための重イオン衝突を有効な実験的プラットフォームとして確立すること。
• 4 GeVのプランクスケールを持つ5次元のQCDの重力双対の文脈で、ブラックホールの生成、進化、崩壊を分析すること。
• 標準的ブラックホール蒸発とは異なる挙動、例えばBjorkenスケーリング、バブル核生成、および低レプトン最終状態の理由を説明すること。
• 閉じ込められた背景および非閉じ込められた背景におけるショック波散乱技術を用いて、粒子多重度を推定すること。
• このモデルを、LHCにおける高多重度のプロトン-プロトン衝突へと拡張し、類似した物理学のプローブとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 大Ncヤン・ミルズ理論の重力双対をモデル化するため、ハードIRカットオフを伴う5次元の漸近的にAdSな空間におけるアインシュタイン-ディラトン作用素を用いる。
• エネルギー密度源 $ J_{++} $ を持つショック波解を適用して、重イオンの衝突を模擬し、捕獲表面の形成を誘発する。
• 捕獲表面の面積を、$ ilde{ ho} $ に関する微分方程式と $ C $ における境界条件を用いて導出し、エントロピーの上限を推定する。
• 捕獲表面における $ b(r)^3 $ の積分を $ rac{1}{2G_5} $ で重みづけた形で評価し、さまざまなバルク幾何におけるエントロピーのスケーリング $ S_{ ext{trapped}} acksim rac{1}{2G_5} imes ext{integral of } b(r)^3 $ を評価する。
• 異なるIR挙動を検討する：べき乗則的 $ b(r) acksim r^{- u} $、閉じ込められた $ b(r) acksim (r_0 - r)^ u $、指数関数的 $ b(r) acksim e^{-( ext{const} imes r)^a} $ であり、エントロピーのエネルギー依存性を計算する。
• ホーキング放射とは異なり、強い相互作用の優位性と低レプトン生成に整合するバブル核生成を用いてブラックホールの崩壊をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHICおよびLHCにおける重イオン衝突は、ゲージ-重力双対性を介してミニブラックホール生成の実験的実験として有効であるか？
• RQ2 QCDの重力双対におけるミニブラックホールの崩壊は、漸近的に平坦な空間における標準的ホーキング蒸発とはどのように異なるか？
• RQ3 異なるIRバルク幾何における捕獲表面形成過程におけるエントロピーと多重度のエネルギー依存性は何か？
• RQ4 このモデルではなぜ最終状態がレプトンをほとんど含まず、強い相互作用の粒子で支配されるのか？
• RQ5 閉じ込められた背景におけるショック波衝突は、標準的AdSモデルと比較して、どれほどAdSを超える速さでエントロピーがスケーリングするか？

主な発見

• 非閉じ込められた背景において $ b(r) acksim r^{- heta} $ の場合、捕獲表面の面積は $ A_{ ext{trapped}} acksim s^{(3 heta - 1)/(6 heta)} $ とスケーリングし、$ heta = 1 $ はAdSに対応する。
• 閉じ込められた背景において $ b(r) acksim (r_0 - r)^ u $ の場合、エントロピーは $ s^{(3 u + 1)/(6 u)} $ とスケーリングし、指数は0.5から1の範囲にあり、AdSスケーリングを上回る。
• 指数的IRプロファイル $ b(r) acksim e^{-( ext{const} imes r)^a} $ の場合、エントロピーは $ s^{1/2} ( ext{log } s)^{(a+1)/a} $ とスケーリングし、対数補正が現れる。
• このモデルは、ブラックホールの崩壊がホーキング放射ではなくバブル核生成を経て発生することを予測し、民主的で強い相互作用の最終状態とレプトンの抑制をもたらす。
• LHCにおける高多重度のプロトン-プロトン衝突は、類似のシグネチャを示す可能性があり、従来の高エネルギー重力モデルを超えるブラックホール物理学の新たなプローブを示唆する。
• 5次元のプランクスケールは $ M_P acksimeq 4 $ GeV と推定され、QCDの重力双対と整合的であり、モデルの妥当性を支持する。