[論文レビュー] Mini Black Holes at the LHC: Discovery Through Di-Jet Suppression, Mono-Jet Emission and a Supersonic Boom in the Quark-Gluon Plasma in ALICE, ATLAS and CMS

B. Betz, Marcus Bleicher+4 more|ArXiv.org|Jun 19, 2006

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 85被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける重イオン衝突で生成されるミニブラックホールが、二ジェット抑制、モノジェット放出、およびクォーク- gluonプラズマ内のマッハ波として検出可能であると提唱している。500 GeVを超える高-$p_T$の背中合わせ二ジェットは完全に抑制されると予測され、その後のホーキング崩壊によってハードなモノジェットが生成され、観測可能なマッハコーンを発生させる可能性があるヘッケラー＝カプスタ＝ホーキングプラズマが形成される可能性がある。

ABSTRACT

We examine experimental signatures of TeV-mass black hole formation in heavy ion collisions at the LHC. We find that the black hole production results in a complete disappearance of all very high $p_T$ ({$> 500$} GeV) back-to-back correlated di-jets of total mass {$M > M_f \sim 1$}TeV. We show that the subsequent Hawking-decay produces multiple hard mono-jets and discuss their detection. We study the possibility of cold black hole remnant (BHR) formation of mass $\sim M_f$ and the experimental distinguishability of scenarios with BHRs and those with complete black hole decay. Finally we point out that a Heckler-Kapusta-Hawking plasma may form from the emitted mono-jets. In this context we present new simulation data of Mach shocks and of the evolution of initial conditions until the freeze-out.

研究の動機と目的

• LHCにおける重イオン衝突におけるTeVスケールのブラックホール生成の実験的シグネチャを特定すること。
• 検出器シグナルを用いて完全なブラックホール崩壊と安定なブラックホールリメインド（BHR）形成を区別すること。
• ホーキング崩壊生成物から生じるヘッケラー＝カプスタ＝ホーキングプラズマの形成と検出可能性を調査すること。
• モノジェットまたはBHRによって誘発されるクォーク-グルーオンプラズマ内の流体力学的衝撃波およびマッハ波の伝播をモデル化すること。
• ALICE、ATLAS、CMS実験におけるブラックホール現象の検出のための素描的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 大次元の存在を仮定したArkani-Hamed-Dimopoulos-Dvaliモデルを用い、古典的幾何的断面積を用いてブラックホール生成断面積を推定する。
• パートン分布関数（CTEQ4）を適用し、運動量分率の積分を実行することで、ブラックホール生成の微分的および統計的断面積を計算する。
• ブラックホールのホーキング崩壊を複数のハードなモノジェットへの崩壊としてモデル化し、高エネルギー衝突実験で検出可能であると想定する。
• 重イオン衝突の初期状態の流体力学的進化をシミュレートし、衝撃波の形成およびハドロン化基準による凍結（freeze-out）を含む。
• マッハコーンの角度を $\phi = \arccos(v_s / v_{\text{jet}})$ の関係を用いて計算し、ALICEにおける二粒子および三粒子相関関数による観測可能な角度相関を予測する。
• ブラックホールリメインドがクォーク-グルーオンプラズマ内を通過する際の挙動を評価し、最大 $0.9c$ の速度を推定することでマッハコーン形成の可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高-$p_T$の背中合わせ二ジェット（$>500$ GeV）の完全な抑制が、重イオン衝突におけるブラックホール生成の決定的シグネチャとして機能するか。
• RQ2 ALICEにおける検出器シグナルを用いて、安定なブラックホールリメインド（BHR）の存在を完全なブラックホール崩壊と区別できるか。
• RQ3 ホーキング崩壊から生じるモノジェットがクォーク-グルーオンプラズマ内で発生させる、マッハ衝撃波などの観測可能な流体力学的シグネチャは何か。
• RQ4 ホーキング放射から生じるヘッケラー＝カプスタ＝ホーキングプラズマが形成され、QGP内に検出可能な爆発波およびエントロピーのシフトを引き起こすか。
• RQ5 高速に移動するブラックホールリメインドまたはジェット誘発衝撃波によって、QGP内でマッハコーンが生成される条件は何か。

主な発見

• 本稿では、$p_T > 500$ GeV かつ $M > M_f \sim 1$ TeV の背中合わせ二ジェットが完全に抑制されると予測され、特定のモデルパラメータに依存しない。
• ブラックホール崩壊は複数のハードなモノジェットを生成し、ATLASおよびCMSで検出可能であると想定され、$M_f \sim 1$ TeV および $d = 2$ から $7$ の余剰次元に対して断面積は400 pbから10 nbの範囲にわたる。
• 初期温度500 GeVのヘッケラー＝カプスタ＝ホーキングプラズマはホーキング崩壊から形成され、QGP内に拡散し、エントロピーを増加させ、ハドロン化条件を変化させる。
• 流体力学的シミュレーションにより、ジェット誘発衝撃波が顕著なエントロピー増加を引き起こし、凍結点をずらし、クォークあたりのバリオケミカルポテンシャルを低下させることが示された。
• マッハコーンは角度 $\phi = \arccos(v_s / v_{\text{jet}})$ で予測され、ALICEにおける二粒子および三粒子相関関数を通じて観測可能である。
• 質量 $M_{\text{BHR}} \sim 1$ TeV のブラックホールリメインドは $v_{\text{BHR}} \sim 0.9c$ の速度で移動でき、QGP内の音速（$c_s \sim 0.57c$）を超える場合、観測可能なマッハコーンを生成する。