[論文レビュー] Production of Spinning Black Holes at colliders

Seong Chan Park, H. Song|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2001

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 15被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、大きな余剰次元を伴うモデルにおける将来の衝突加速器におけるブラックホール生成を再評価し、回転するブラックホールが角運動量のため抑制されるものの、非回転ブラックホールと回転ブラックホールの両方の全断面積は、非回転のみの生成と比較して2〜3倍に増幅されることを示している。増幅は、すべてのスピン状態の和をとることによって生じ、高エネルギー実験におけるブラックホールの検出可能性が向上することを示している。

ABSTRACT

When the Planck scale is as low as TeV scale, there will be chances to produce Black holes (BH's) at future colliders. Generally, BH's produced via pariticle collisions could have non-zero angular momentum. We estimate the production cross section of spinning and non-spinning BH's for future colliders. Although the production cross section for the rotating BH is much suppressed by angular momentum dependent factor, the total cross section could be $\sim 2 -3$ times enhanced for the case of $δ=4-6$.

研究の動機と目的

• 大きな余剰次元のシナリオ下で、将来の衝突加速器における回転および非回転ブラックホールの生成断面積を再評価すること。
• 半古典的議論を用いて、角運動量がブラックホール形成確率に与える影響を評価すること。
• 非回転ブラックホールのみのモデルと比較して、回転ブラックホールの取り入れが全検出可能断面積に与える影響を定量化すること。
• ホーキング放射によるブラックホール崩壊の結果と、潜在的な実験的シグネチャへの影響を検討すること。

提案手法

• 中心質量系エネルギーがブラックホールのシュバルツシルト半径より小さい領域に収束する場合に、ブラックホール生成を半古典的議論でモデル化する。
• D = 4 + δ 次元における回転ブラックホール解を適用し、質量および無次元スピンパラメータ a に依存する半径を用いる。
• 幾何的近似を用いてスピン依存断面積を導出する：σ ∝ R_BH²、ここで R_BH は回転ブラックホールに対して (1 + a²)⁻¹/(δ+1) の要因で減少する。
• a = 0 から a = (δ+2)/2 までのすべての可能なスピン状態の和をとり、パートオンレベルでの全生成断面積を計算する。
• パートオン分布関数と畳み込みをとることで、衝突過程 pp → BH + X における全断面積を求める。
• ホーキング放射の崩壊段階と温度依存性を考慮し、回転ブラックホールが非回転のものと比較してわずかに高い温度を持つことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 角運動量は、衝突加速器におけるブラックホール生成の幾何的断面積にどのように影響するか？
• RQ2 回転および非回転ブラックホールを両方含めた場合の全生成断面積は何か？
• RQ3 非回転のみのケースと比較して、全ブラックホール生成断面積はどの程度増幅されるか？
• RQ4 同じ質量の非回転ブラックホールと比較して、回転ブラックホールのホーキング温度はどのように異なるか？
• RQ5 ブラックホールのスピンは、LHC などの衝突加速器実験における検出可能性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 回転ブラックホールの生成断面積は、非回転ブラックホールと比較してシュバルツシルト半径が小さくなるため、(1 + a²)⁻²/(δ+1) の要因で抑制される。
• この抑制にもかかわらず、すべての許容されるスピン状態の和をとることで、全断面積は δ = 4 の場合約2倍、δ = 6 の場合約3倍に増幅される。
• 増幅は、すべての許容スピン状態の和に起因し、ブラックホール生成の全体的な確率が上昇する。
• 回転ブラックホールは、半径が小さく、曲率が強いことから、同じ質量の非回転ブラックホールよりも高いホーキング温度を持つ。
• 全断面積の増幅は、スピンを考慮に入れることで、将来の衝突加速器実験でブラックホールを観測する可能性が著しく高まることを示唆している。
• 本研究では半古典的有効性を仮定し、プランクスケール付近でのストリング理論的補正を無視しており、今後の精緻化の余地がある。