[論文レビュー] Suppression of High-P_T Jets as a Signal for Large Extra Dimensions and New Estimates of Lifetimes for Meta stable Micro Black Holes -From the Early Universe to Future Colliders

Stefan G. Hofmann, Marcus Bleicher+4 more|ArXiv.org|Nov 6, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける陽子-陽子衝突における高横運動量ジャケット抑制が、ブラックホール生成に起因する大規模な追加次元（LED）の特徴的なシグナルであると提案する。マイクロカノニカル熱力学を用いて、d > 5の場合に約100 fm/cのブラックホール寿命を推定し、ホーキング放射の抑制により準安定な残渣が生じることを示し、従来の過小評価を覆し、標準的なジャケット＋欠損エネルギーのシグナルを超える検出可能な信号の可能性を示唆する。

ABSTRACT

We address the production of black holes at LHC in space times with compactified space-like large extra dimensions (LXD). Final state black hole production leads to suppression of high-P_T jets, i.e. a sharp cut-off in the cross section for pp->jet+X. This signal is compared to the jet plus missing energy signature due to graviton production in the final state as proposed by the ATLAS collaboration. Time evolution and lifetimes of the newly created black holes are calculated based on the microcanonical formalism. It is demonstrated that previous lifetime estimates of micro black holes have been dramatically underestimated. The creation of a large number of quasi-stable black holes is predicted with life times beyond hundred fm/c at LHC. Medium modifications of the black holes evaporation rate due to the quark gluon plasma in relativistic heavy ion collisions as well as provided by the cosmic fluid in the early universe are studied.

研究の動機と目的

• LHC衝突における高P_Tジャケット抑制が、大規模な追加次元の特徴的なシグナルとして識別可能かどうかを特定すること。
• メタ安定なマイクロブラックホールの寿命を、マイクロカノニカル集合を用いて再評価し、従来の過小評価を是正すること。
• クォーク- gluonプラズマおよび初期宇宙におけるブラックホール蒸発率の媒体中効果を調査すること。
• グルーオン生成のためのATLASのジャケット＋欠損エネルギーのシグナルと、ジャケット抑制シグナルを比較すること。
• 準安定ブラックホール残渣が量子重力の素粒子物理学的現象に与える影響を検討すること。

提案手法

• D=4+d次元のシュワルツシルト解を用いて、R_Hを導出し、幾何的断面積σ ≈ πR_H²による大規模な追加次元におけるブラックホール生成のモデル化。
• 温度依存性T_H ∝ M^{-(1+d)^{-1}}を用いて、マイクロカノニカル集合を適用し、ブラックホール崩壊率を計算すること。
• ホーキング放射をd次元で記述した崩壊率Γを用い、質量の時間的変化dM/dt = -Γを導出すること。
• 宇宙およびQGP環境における、周囲媒体からのエネルギー供給をモデル化し、ρ ∝ (M/M_f)^{2/(1+d)} (m_P/M_f)^2 H^2を用いる。
• CTEQ4のパートン分布関数を用いて、√s = 14 TeVのpp衝突におけるブラックホールのファインマンx分布を計算すること。
• brane-worldの設定における修正されたフレリーマン方程式を解き、初期宇宙におけるブラックホールの宇宙流体からのエネルギー獲得をモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるpp衝突における高P_Tジャケット抑制は、大規模な追加次元の特徴的なシグナルとして機能するか？
• RQ2 マイクロカノニカル熱力学および有限サイズ効果は、従来のカノニカルモデルと比較して、マイクロブラックホールの寿命推定にどのように影響を与えるか？
• RQ3 クォーク-グルーオンプラズマや初期宇宙の宇宙流体といった周囲の媒体が、ブラックホール蒸発率に与える影響は何か？
• RQ4 どのような条件下で、媒体からのエネルギー供給によってブラックホールの蒸発が止まるか？
• RQ5 M_f未満の領域で準安定ブラックホール残渣が形成可能であり、その検出可能性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• ジャケット抑制シグナルは、横運動量の関数として断面積(pp → ジャケット + X)に明確なカットオフを示すが、グルーオン交換による抑制とは対照的に滑らかである。
• d > 5の場合、マイクロブラックホールの寿命は約100 fm/cと推定され、高次元におけるホーキング放射の抑制により、従来の推定より著しく長くなる。
• 初期質量M ≈ 10 M_fおよびM_f = 1 TeVの場合、QGP中での蒸発率は、媒体のエネルギー密度がQGP密度のおよそ10^9倍に達すると消滅し、安定化の可能性を示唆する。
• 初期宇宙では、M(t)/M_f ≈ 10 g_*(t)^{-1} (M_f/GeV)^{1+d} (GeV/T(t))^{2+2d} となる条件で、ブラックホールの蒸発が止まる。T > 1 TeVの範囲で成立する。
• 統計力学がM_f未満でも有効である限り、M ~ TeVのブラックホールが準安定な残渣を残す可能性を示唆し、完全蒸発の仮定に疑問を呈する。
• M < 10 TeVの場合、生成されたブラックホールの運動量分布はバリエンスクォークチャンネルにピークを示し、重クォークからの寄与は無視できるほど小さい。