[論文レビュー] Mini Black Holes in the first year of the LHC

Horst Stoecker|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、初期LHCの重イオン衝突で生成されるテヴェルト・マスのブラックホールの実験的シグナルを調査し、ALICE TPCにおける二重ジェット抑制、モノジェット放出、およびイオン化軌跡が、ブラックホールまたはその安定した残渣を検出可能であると提唱している。主な結果として、中程度の初年度のフルエンスでさえも、ALICEのタイムプロジェクションチェンバ内での高イオン化で低曲率の軌跡を示す1 TeV前後の中性子ブラックホール残渣（BHR）が識別可能であることが示された。

ABSTRACT

The experimental signatures of TeV-mass black hole (BH) formation in heavy ion collisions at the LHC is examined. 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. Due to the rather moderate luminosity in the first year of LHC running the least chance for the observation of BHs or BHRs at this early stage will be by ionizing tracks in the ALICE TPC. Finally we point out that stable BHRs would be interesting candidates for energy production by conversion of mass to Hawking radiation.

研究の動機と目的

• 初期LHCの重イオン衝突におけるテヴェルトスケールのブラックホール生成の実験的に区別可能なシグナルを特定すること。
• 限定的なフルエンスのもとでも、初年度のLHC運用におけるブラックホール残渣（BHR）の検出可能性を評価すること。
• 安定したBHRの検出に、ALICE TPCにおけるイオン化軌跡を主たる検出チャネルとして評価すること。
• 安定したBHRがホーキング放射によるエネルギー変換の候補として持つ可能性を検討すること。
• 完全なブラックホール崩壊とBHRへの不完全な崩壊のシナリオを比較し、検出可能性に注目すること。

提案手法

• 幾何的近似 σ(M) ≈ πR_H² を用いてブラックホール生成断面積をモデル化し、R_H を高次元シュバルツシルト半径式から導出する。
• 一般化不確定性原理（GUP）を適用して状態密度を修正し、高エネルギー断面積を低減させ、ブラックホールおよび標準模型（SM）プロセスの両方に影響を与える。
• PYTHIA 6.2 と CHARYBDIS イベントジェネレータを用いてブラックホール崩壊をシミュレートし、ジェット多重度、エネルギースペクトル、イベントトポロジーを予測する。
• CTEQ4 のパートン分布関数を用いて、√s = 14 TeV の p-p 衝突におけるブラックホール生成の微分的および統合的断面積を推定する。
• 運動学的およびトポロジカルなシグナルを分析：p_T > 500 GeV におけるバックトゥバックの二重ジェット抑制、平均エネルギー約100 GeV の等方的モノジェット放出、および高い球対称性。
• 時間飛行および空間分解能を用いて、ALICE TPC内での電荷を帯びたBHRの検出をモデル化し、質量再構成が可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるブラックホール生成は、M > 1 TeV の場合に、p_T > 500 GeV のバックトゥバック二重ジェットを完全に抑制するか？
• RQ2 中程度のフルエンスのもとで、初年度のLHC運用におけるブラックホール崩壊の主な実験的シグナルは何か？
• RQ3 安定したブラックホール残渣（BHR）は、ALICE TPCにおけるイオン化軌跡で検出可能か？また、その質量はどの程度の精度で再構成可能か？
• RQ4 一般化不確定性原理（GUP）による修正は、ブラックホール生成および崩壊断面積にどのように影響するか？
• RQ5 BHRは、ホーキング放射による質量-エネルギー変換を通じて、効率的なエネルギー源としての可能性を有するか？

主な発見

• ブラックホール生成は、p_T > 500 GeV かつ不変質量 M > M_f ~ 1 TeV のバックトゥバック二重ジェットを完全に抑制する。
• ホーキング崩壊は、平均エネルギー約100 GeV の複数の高エネルギーモノジェットを生成し、合計ジェット多重度は約10となり、等方的かつ高球対称性のイベントを生じる。
• √s = 14 TeV におけるブラックホール生成の統合断面積は、追加次元数 d = 2–7 および基本スケール M_f に応じて 400 pb から 10 nb の範囲をとる。
• 質量が約1 TeVの中性子ブラックホール残渣（BHR）は、ALICE TPCにおける時間飛行および空間分解能を用いて再構成可能であり、M_BH = 1, 2, 3 TeV について質量再構成の精度が確認された。
• GUPによる最小長尺度の導入は、ブラックホール生成断面積を低減させるとともに、ブラックホールおよびSMプロセスの両方の高エネルギー行動を修正する。
• 安定したBHRは、効率的なエネルギー変換器として機能可能であり、10トンの物質がホーキング放射によってエネルギーに変換されると、世界の年間エネルギー需要（約10^21 J）を約90％の効率で満たすことができる。