[논문 리뷰] Physics Beyond the Standard Model: Exotic Leptons and Black Holes at Future Colliders

Christopher M. Harris|ArXiv.org|2005. 02. 01.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 175인용 수 13

한 줄 요약

이 학위논문은 향후 충돌기에서의 이국적인 렙톤과 미세한 블랙홀 생성을 조사하며, LHC에서 질량이 950 GeV 이하인 무거운 전하 렙톤을 탐지하기 위한 시간-비행 기법을 제안하고, 다차원 블랙홀에 대한 그레이바디 인자 수치 계산을 처음으로 수행한다. 이러한 인자는 몬테카를로 이벤트 생성기 내에 통합되어 블랙홀 붕괴를 모델링하고 추가 차원의 수를 추출하는 데 사용된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스케일이 초과된 초대칭 모델과 중간 스케일 모델 내에서 대형 하드론 충돌기(LHC)에서 이국적인 무거운 렙톤의 발견 잠재력을 조사하기 위해.
• 고에너지 충돌 환경에서 스퍼블레톤과의 구별을 위해 무거운 전하 렙톤을 식별하기 위한 시간-비행 기법을 개발하기 위해.
• 큰 추가 차원이 있는 이론에서 미세한 블랙홀의 생성과 붕괴를 모델링하기 위해.
• 최초로 다차원 블랙홀에 대한 그레이바디 인자를 수치적으로 계산하기 위해.
• 계산된 그레이바디 인자를 통합한 몬테카를로 이벤트 생성기를 구축하여 블랙홀 서명을 시뮬레이션하고 추가 차원의 수를 추출하기 위해.

제안 방법

• 특정 질량과 결합 상수를 가진 이국적인 무거운 렙톤을 포함하도록 HERWIG 이벤트 생성기를 수정하였다.
• 속도의 차이에 기반해 스퍼블레톤과의 구별을 위해 HERWIG에 시간-비행 기법을 구현하였다.
• ADD 모델을 사용하여 큰 추가 차원에서의 블랙홀 생성 이론적 프레임워크를 수립하였다.
• 다차원 블랙홀 배경에서 파동 방정식의 수치적 해를 사용하여 브레인 상의 스칼라, 페르미온, 벡터 장에 대한 그레이바디 인자를 계산하였다.
• 계산된 그레이바디 인자를 통합하여 표준모형 입자로의 블랙홀 붕괴를 시뮬레이션할 수 있는 몬테카를로 이벤트 생성기를 개발하였다.
• 이 생성기를 사용하여 붕괴 서명을 분석하고 충돌기 데이터에서 추가 차원의 수를 추출할 잠재력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간-비행 기법을 사용할 경우 LHC에서 이국적인 전하 렙톤의 최대 탐지 한계는 얼마인가?
• RQ2 다차원 블랙홀에 대한 그레이바디 인자는 스핀과 추가 차원의 수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 수치적으로 계산된 그레이바디 인자를 기반으로 한 몬테카를로 이벤트 생성기는 향후 충돌기에서 블랙홀 붕괴 서명을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 시뮬레이션된 블랙홀 붕괴 사건들로부터 추가 차원의 수를 어느 정도 정확하게 추출할 수 있는가?
• RQ5 큰 추가 차원이 있는 모델에서의 블랙홀 생성 및 붕괴 확률는 4차원 중력과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 시간-비행 기법을 통해 특정 모델에서 LHC에서 질량이 950 GeV 이하인 이국적인 전하 렙톤을 탐지할 수 있다.
• 브레인 상의 스핀-0, 스핀-1/2, 스핀-1 장에 대해 다차원 블랙홀에 대한 첫 번째 수치적 그레이바디 인자 계산이 성공적으로 수행되었다.
• 다차원 블랙홀의 그레이바디 인자는 스핀이 높을수록 4차원 대비 상당히 다를 수 있음을 발견하였다.
• 계산된 그레이바디 인자를 통합한 몬테카를로 이벤트 생성기는 표준모형 입자로의 블랙홀 붕괴를 상세하게 시뮬레이션할 수 있다.
• 이 생성기는 블랙홀 서명을 분석하고 충돌기 데이터에서 추가 차원의 수를 추출하는 데 도구로 사용될 수 있다.
• 본 연구는 큰 추가 차원 모델에서의 블랙홀 생성 및 붕괴가 향후 세대 충돌기에서 타당하고 측정 가능한 것으로 밝혀졌다.