[論文レビュー] Virtual Black Holes at Linear Colliders

Yosuke Uehara|ArXiv.org|May 8, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、将来の線形衝突機がTeVスケールのエネルギーで仮想ブラックホールを生成可能であると提唱しており、その崩壊生成物を通じて量子重力効果の高精度な検証が可能になると述べている。実際のブラックホール生成はエネルギー制約のため不可能であるが、不確定性原理により一時的な仮想ブラックホールの形成が可能であり、その崩壊はレプトンフラバー違反、レプトン/バリオン数違反、および高精度なトップクォークおよびWボソン質量測定の観測可能なシグネチャーをもたらす。これはハドロン衝突機とは異なった補完的データを提供する。

ABSTRACT

We propose that future linear colliders can create virtual black holes even though their energies are below the fundamental scale, because of the uncertainty principle. These virtual black holes provide us much information which cannot be obtained in the production of black holes at the LHC or other hadron colliders. We can observe lepton flavor and lepton (baryon) number violating processes at linear colliders by using virtual black holes. And virtual black holes can be used to the precision measurements of top and W. They can create only one top quark or one W boson, which leads to the clean signal that cannot be obtained in pair-production processes.

研究の動機と目的

• 中心エネルギーや質量が低い状況下でも、仮想ブラックホールの生成可能性を検討すること。
• 仮想ブラックホールの崩壊が、レプトンフラバー違反やレプトン/バリオン数違反といった標準模型を超える新しい物理を明らかにできるかを調査すること。
• 仮想ブラックホールが、組み合わせ的バックグラウンドを低減することで、トップクォークおよびWボソン質量の高精度測定を可能にすることを示すこと。
• 仮想ブラックホールが、現在の電弱高精度測定と補完的役割を果たすことができることを確立すること、特に質量測定誤差の低減に寄与すること。

提案手法

• 実際のブラックホール生成が運動的条件下で不可能であっても、不確定性原理により、√s = 1 TeVで一時的な仮想ブラックホールの生成を許容する。
• 7次元の余剰次元（n = 7）とMD = 1 TeVを仮定した高次元重力モデルから導かれる半古典的ブラックホール断面積式を適用する。
• エネルギー-時間不確定性（1/25）およびGibbons-Hawking作用（exp(−IE)）による抑制因子を組み込み、有効な生成断面積を推定する。
• 仮想ブラックホールの崩壊特性を計算し、温度（TBH = 0.64 TeV）、平均崩壊エネルギー（⟨E⟩ = 1.3 TeV）、平均多重度（⟨N⟩ = 3.9）を算出する。
• 標準模型粒子（e±μ∓, q¯q, gg, γγなど）への崩壊チャネルをモデル化し、レプトンフラワー違反およびレプトン/バリオン数違反のシグネチャーを特定する。
• 100 fb⁻¹の統計的データを想定し、検出器の分解能と統計的不確実性を用いてトップクォークおよびWボソン質量測定の誤差解析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のブラックホール生成の閾値を下回るエネルギー（√s = 1 TeV）で線形衝突機が仮想ブラックホールを生成できるか？
• RQ2 仮想ブラックホール崩壊の観測可能なシグネチャーは、レプトンフラワー違反やレプトン/バリオン数違反を明らかにするものか？
• RQ3 仮想ブラックホール崩壊が、バックグラウンドを低減することで、トップクォークおよびWボソン質量の測定をどの程度高精度に可能にするか？
• RQ4 仮想ブラックホール崩壊による質量測定の不確実性は、テバトロンなどの既存実験と比較してどの程度か？

主な発見

• 仮想ブラックホール生成断面積は、不確定性原理と抑制因子を考慮して2.1 × 10⁴ fbと推定される。
• 仮想ブラックホールの温度は0.64 TeVであり、平均して約4個の粒子に崩壊し、個々の粒子エネルギーは約250 GeV程度である。
• レプトンフラワー違反過程は100 fb⁻¹で590イベント発生し、標準模型のバックグラウンドが存在しないため、4.1%の精度でその過程を検証可能である。
• レプトンおよびバリオン数違反過程は650イベント発生し、観測された場合、このような新しい物理の明確なプローブが得られる。
• シングルトップクォーク生成は1300イベント発生し、統計的およびカリオリメータの不確実性を組み合わせた場合、トップクォーク質量測定の総誤差は4.5%にまで低減可能である。
• シングルWボソン生成は450イベント発生し、Wボソン質量測定の精度誤差は0.066%に達し、現在の実験基準と同等の水準に達する。