[論文レビュー] New Potential of Black Holes : Quest for TeV-Scale Physics by Measuring Top Quark Sector using Black Holes

Yosuke Uehara|ArXiv.org|May 20, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 41被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるTeVスケールの重力によるブラックホール崩壊から生成される高エネルギーのトップクォークを用いて、トップクォーク系における高精度な測定を実現する手法を提案している。背景がほとんどない環境であるため、実験的誤差が著しく低減される。本稿では、ブラックホール崩壊がトップクォーク質量およびヤコビ係数の測定誤差をそれぞれ0.56 GeVおよび6〜9倍低減できることを示しており、|Vts|の直接測定が可能となる。これにより、CKM行列のユニタリティおよびヒッグス機構の厳密な検証が可能となる。

ABSTRACT

If TeV-scale gravity models are correct, the production of black holes will be the first signal of new physics. Once black holes are produced, they will give us much information about TeV-scale new physics directly. But such black holes can also be used for the precision measurements of the Standard Model (SM). The SM is nothing but a theory which can describe weak-scale, and TeV-scale physics will affect it. So if some experimental results which cannot be explained in the SM are found, they will be attributed to TeV-scale physics and we can obtain ``bottom-up'' type information about new physics. In this paper, we consider the precision measurements of the top sector at the LHC by using black holes. The stringent trigger conditions to confirm the black hole production vanish almost all of the QCD background, and we can examine the top quark emitted from black holes very precisely. The error of the top quark mass and the top Yukawa coupling are drastically reduced, leading to a very accurate test of the Higgs mechanism. We can directly measure the CKM matrix element |V_{ts}|, and we will understand the property of the CKM matrix and the origin of CP-violation deeply. The very precise measurements of such properties in the SM, enabled by black holes, can become treasures in the quest for TeV-scale physics because there exists a possibility that TeV-scale physics affects them and destroys the predictions of the SM. By combining the direct information of new physics obtained from black holes themselves and the indirect information obtained from the limitations of the SM, we will be able to identify TeV-scale physics correctly.

研究の動機と目的

• TeVスケールの重力モデルにおけるブラックホール生成が、LHCにおけるトップクォーク系の高精度測定を可能にするかを調査すること。
• 現在のLHCの能力を超えて、トップクォーク質量およびヤコビ係数の実験的不確実性を低減すること。
• 標準的なQCDによるトップクォーク対生成では入手不可能な、CKM行列要素|Vts|の直接測定を可能にすること。
• 高精度なトップクォーク覀測を用いて、標準模型がTeVスケールの物理の低エネルギー有効理論として成立するかを検証すること。
• ブラックホールから生成されるトップクォークが、標準模型を超える新しい物理を「下からの」プローブとしてどのように利用できるかを検討すること。

提案手法

• ブラックホールイベントに厳しいトリガ条件を適用することで、主要なQCD背景を抑制し、トップクォーク検出に極めてクリーンな環境を構築すること。
• ブラックホール崩壊から生じる単一の高エネルギーのトップクォーク（≥1 TeV）を用いることで、従来のトップクォーク質量測定における主要な系統的誤差要因である最終状態放射を回避すること。
• 標準模型のヒッグス機構およびCKM行列の形式的記述を用いて、測定されたトップクォーク質量およびヤコビ係数を基本的パラメータと関連付けること。
• ブラックホール崩壊生成物から|Vts|を直接抽出することで、B中間子混合からの間接的制約を回避すること。
• CKM行列のウルフシュタインパrameterizationを用い、直接測定された|Vts|を基にユニタリティ三角形を検証し、ユニタリティおよびCP対称性の破れを検証すること。
• |Vts|の精度向上が、b→sγのようなレア崩壊の理論的予測に与える影響を分析すること。

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崩壊は、トップクォーク測定のためのバックグラウンドフリーな環境を提供できるか？
• RQ2 標準的QCD過程と比較して、ブラックホール崩壊から得られるトップクォークを用いた場合、トップクォーク質量の誤差はどの程度低減できるか？
• RQ3 ブラックホールから生成されるトップクォークを用いて、LHCでCKM行列要素|Vts|を直接測定できるか？
• RQ4 直接測定された|Vts|は、ユニタリティ三角形の制約およびCP対称性の破れの起源に関する制約をどのように改善するか？
• RQ5 |Vts|およびトップヤコビ係数の精度向上が、b→sγ崩壊の分支比の理論的予測に与える影響は何か？

主な発見

• 最終状態放射の影響が排除されるため、ブラックホール崩壊から得られるトップクォークを用いた質量測定では、現在の5.1 GeVから0.56 GeVに誤差が低減される。
• 標準的手法と比較して、トップヤコビ係数の不確実性が6〜9倍低減され、ヒッグス機構のより精密な検証が可能になる。
• ブラックホールから生成されるトップクォークを用いた|Vts|の直接測定がLHCで実現可能となり、CKM行列のユニタリティを検証する新たなクリーンなプローブが得られる。
• 直接|Vts|測定のおかげで、ハドロン行列要素パラメータに依存せずに、実験データのみでユニタリティ三角形を制約できるようになった。
• |Vts|の精度向上により、標準模型におけるb→sγ崩壊の分支比予測の理論的不確実性が低減され、新しい物理の感度が向上する。
• 本手法は、高精度な標準模型の検証結果とブラックホールイベントからの実験結果を比較することで、新しい物理を同定する強力な「下からの」アプローチを提供する。