[論文レビュー] Physics Beyond the Standard Model: Exotic Leptons and Black Holes at Future Colliders

Christopher M. Harris|ArXiv.org|Feb 1, 2005

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 175被引用数 13

ひとこと要約

本学位論文は、将来の衝突加速器におけるレプトンの異常な性質とマイクロスコピックブラックホール生成を調査し、LHCで950 GeVまでの重い電荷を帯びたレプトンを検出可能な時間飛行技術を提案するとともに、高次元ブラックホールのグレイボディ因子の初回数値計算を実施している。これらの因子はモンテカルロイベントジェネレータに組み込まれ、ブラックホール崩壊をモデル化し、余剰次元の数を抽出する。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics has been remarkably successful in describing present experimental results. However, it is assumed to be only a low-energy effective theory which will break down at higher energy scales, theoretically motivated to be around 1 TeV. There are a variety of proposed models of new physics beyond the Standard Model, most notably supersymmetric and extra dimension models. New charged and neutral heavy leptons are a feature of a number of theories of new physics, including the `intermediate scale' class of supersymmetric models. Using a time-of-flight technique to detect the charged leptons at the Large Hadron Collider, the discovery range (in the particular scenario studied in the first part of this thesis) is found to extend up to masses of 950 GeV. Extra dimension models, particularly those with large extra dimensions, allow the possible experimental production of black holes. The remainder of the thesis describes some theoretical results and computational tools necessary to model the production and decay of these miniature black holes at future particle colliders. The grey-body factors which describe the Hawking radiation emitted by higher-dimensional black holes are calculated numerically for the first time and then incorporated in a Monte Carlo black hole event generator; this can be used to model black hole production and decay at next-generation colliders. It is hoped that this generator will allow more detailed examination of black hole signatures and help to devise a method for extracting the number of extra dimensions present in nature.

研究の動機と目的

• 超対称性および中間スケールモデルにおける、大型ハドロン衝突加速器（LHC）での異常な重レプトンの発見可能性を調査すること。
• 高エネルギー衝突環境下で、重レプトンとスレプトンを区別するための時間飛行技術を開発すること。
• 大規模な余剰次元を有する理論におけるマイクロスコピックブラックホールの生成と崩壊をモデル化すること。
• 高次元ブラックホールのグレイボディ因子を、初めて数値的に計算すること。
• 計算されたグレイボディ因子を組み込んだモンテカルロイベントジェネレータを構築し、ブラックホールの崩壊シグナルをシミュレートし、余剰次元の数を抽出すること。

提案手法

• 指定された質量と結合定数を持つ異常な重レプトンを含めるように、HERWIGイベントジェネレータを改変した。
• 重レプトンとスレプトンの速度差に基づき、HERWIGに時間飛行技術を実装し、それらを区別した。
• ADDモデルを用いて、余剰次元が大きな理論におけるブラックホール生成の理論的枠組みを定式化した。
• 高次元ブラックホール背景における波動方程式の数値解法を用いて、ブレーン上でのスカラー場、フェルミオン場、およびベクトル場のグレイボディ因子を計算した。
• 計算されたグレイボディ因子を組み込んだモンテカルロイベントジェネレータを開発し、標準模型粒子へのブラックホール崩壊をシミュレートした。
• ジェネレータを用いて崩壊シグナルを分析し、衝突加速器データから余剰次元の数を抽出する可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間飛行技術を用いた場合、LHCにおける異常な電荷を帯びたレプトンの最大発見範囲はどの程度か？
• RQ2 高次元ブラックホールのグレイボディ因子はスピンおよび余剰次元の数にどのように依存するか？
• RQ3 数値的に計算されたグレイボディ因子に基づくモンテカルロイベントジェネレータは、将来の衝突加速器におけるブラックホール崩壊シグナルを正確にモデル化できるか？
• RQ4 シミュレートされたブラックホール崩壊イベントから、余剰次元の数をどの程度正確に抽出できるか？
• RQ5 大規模な余剰次元を持つモデルにおけるブラックホール生成および崩壊率は、4次元重力と比べてどのように異なるか？

主な発見

• 時間飛行技術により、特定のモデルにおいてLHCで950 GeVまでの異常な電荷を帯びたレプトンの発見が可能であることが示された。
• スピン0、スピン1/2、スピン1の場について、高次元ブラックホールのグレイボディ因子の初回数値計算が成功裏に実施された。
• 高次元ブラックホールのグレイボディ因子は、4次元の対応物と顕著に異なっており、特に高スピンの場合顕著な差が見られた。
• 計算されたグレイボディ因子を組み込んだモンテカルロイベントジェネレータにより、標準模型粒子へのブラックホール崩壊の詳細なシミュレーションが可能となった。
• このジェネレータは、ブラックホールシグナルの分析および衝突加速器データから余剰次元の数を抽出するためのツールを提供する。
• 本研究により、大規模な余剰次元を持つモデルにおけるブラックホール生成および崩壊が、次世代の衝突加速器で実現可能かつ測定可能であることが示された。