[논문 리뷰] Mini Black Holes at the LHC: Discovery Through Di-Jet Suppression, Mono-Jet Emission and a Supersonic Boom in the Quark-Gluon Plasma in ALICE, ATLAS and CMS

B. Betz, Marcus Bleicher외 4명|ArXiv.org|2006. 06. 19.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 85인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 고에너지 이온 충돌에서 생성된 미니 블랙홀이 쿼크-글루온 플라즈마 내에서의 이-제트 억제, 단일 제트 방출, 그리고 맥스 충격파를 통해 탐지될 수 있다고 제안한다. 500 GeV 이상의 고-$p_T$ 역방향 이-제트는 완전히 억제되며, 이후 홀링 방출에 의해 딱딱한 단일 제트가 생성되고, 관측 가능한 맥스 콘을 유도할 수 있는 헤클러-카푸스타-홀링 플라즈마가 형성될 가능성이 있다.

ABSTRACT

We examine experimental signatures of TeV-mass black hole formation in heavy ion collisions at the LHC. We find that the black hole production results in a complete disappearance of all very high $p_T$ ({$> 500$} GeV) back-to-back correlated di-jets of total mass {$M > M_f \sim 1$}TeV. We show that the subsequent Hawking-decay produces multiple hard mono-jets and discuss their detection. We study the possibility of cold black hole remnant (BHR) formation of mass $\sim M_f$ and the experimental distinguishability of scenarios with BHRs and those with complete black hole decay. Finally we point out that a Heckler-Kapusta-Hawking plasma may form from the emitted mono-jets. In this context we present new simulation data of Mach shocks and of the evolution of initial conditions until the freeze-out.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 고에너지 이온 충돌에서 테바 스케일 블랙홀 생성의 실험적 서명을 규명하는 것.
• 검출기 신호를 통해 완전한 블랙홀 붕괴와 안정한 블랙홀 잔여물(BHR) 형성 간을 구분하는 것.
• 홀링 붕괴 생성물에서 유래한 헤클러-카푸스타-홀링 플라즈마의 형성과 탐지 가능성 조사하기.
• 단일 제트 또는 BHR에 의해 유도된 쿼크-글루온 플라즈마 내에서의 유체역학적 충격과 맥스파동 전파 모델링하기.
• ALICE, ATLAS, CMS 실험에서 블랙홀 현상 탐지에 대한 현상학적 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 클래식 기하학적 단면을 통해 블랙홀 생성 단면을 추정하기 위해 아르카니-하메드-디무포울로스-달리 모델과 큰 추가 차원을 사용한다.
• 파트온 분포 함수(CTEQ4)를 적용하고 운동량 분율에 대해 통합하여 블랙홀 생성의 미분 및 통합 단면을 계산한다.
• 고에너지 충돌 실험에서 탐지 가능한 다수의 딱딱한 단일 제트로 블랙홀의 홀링 붕괴를 모델링한다.
• 고에너지 이온 충돌의 초기 조건의 유체역학적 진화를 시뮬레이션하며, 충격파 형성과 수소화 조건에 의한 동결-아웃을 포함한다.
• 관측 가능한 이중 및 삼중 입자 함수에서의 각도 상관관계를 예측하기 위해 $\phi = \arccos(v_s / v_{\text{jet}})$ 관계를 사용해 맥스 콘 각도를 계산한다.
• 블랙홀 잔여물의 쿼크-글루온 플라즈마 내 이동을 평가하며, 최대 $0.9c$의 속도를 추정하여 맥스 콘 형성 여부 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고-$p_T$ 역방향 이-제트($>500$ GeV)의 완전한 억제가 고에너지 이온 충돌에서 블랙홀 생성의 결정적 서명이 될 수 있는가?
• RQ2 ALICE 실험에서 검출기 신호를 통해 안정한 블랙홀 잔여물(BHR) 존재 여부를 어떻게 실험적으로 구분할 수 있는가?
• RQ3 홀링 붕괴에서 유래한 단일 제트가 쿼크-글루온 플라즈마 내에서 유도하는 관측 가능한 유체역학적 서명, 예를 들어 맥스 충격파는 무엇인가?
• RQ4 홀링 복사에서 기인한 헤클러-카푸스타-홀링 플라즈마가 형성되어 QGP 내에서 탐지 가능한 폭발파와 엔트로피 이동을 유도할 수 있는가?
• RQ5 빠르게 움직이는 블랙홀 잔여물 또는 제트 유도 충격파에 의해 QGP 내에서 맥스 콘을 생성할 수 있는 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 $p_T > 500$ GeV 및 궁극 질량 $M > M_f \sim 1$ TeV일 경우, 특정 모델 매개변수에 관계없이 역방향 이-제트의 완전한 억제를 예측한다.
• 블랙홀 붕괴는 다수의 딱딱한 단일 제트를 생성하며, ATLAS와 CMS에서 탐지 가능할 수 있다. $M_f \sim 1$ TeV 및 $d = 2$에서 $7$의 추가 차원일 경우 단면은 400 pb에서 10 nb 사이이다.
• 초기 온도 500 GeV의 헤클러-카푸스타-홀링 플라즈마가 홀링 붕괴에서 형성되어 QGP로 팽창하며 엔트로피를 증가시키고 수소화 조건을 변화시킬 수 있다.
• 유체역학 시뮬레이션은 제트 유도 충격파가 상당한 엔트로피 증가를 유도하며, 동결-아웃 지점 이동과 쿼크 당 비어로화학적 위치 에너지 감소를 유도함을 보여준다.
• 맥스 콘은 $\phi = \arccos(v_s / v_{\text{jet}})$ 각도로 예측되며, ALICE의 이중 및 삼중 입자 상관관계 함수를 통해 관측 가능하다.
• 질량 $M_{\text{BHR}} \sim 1$ TeV인 블랙홀 잔여물은 $v_{\text{BHR}} \sim 0.9c$의 속도로 이동할 수 있으며, QGP 음속($c_s \sim 0.57c$)을 초월할 경우 관측 가능한 맥스 콘을 유도한다.