[논문 리뷰] Production of Spinning Black Holes at colliders

Seong Chan Park, H. Song|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 07.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 15인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 큰 추가 차원을 가진 모델에서 미래의 충돌기에서 블랙홀 생성을 재평가하며, 비록 각운동량으로 인해 스핀이 있는 블랙홀의 생성이 억제되지만, 스핀이 있는 블랙홀와 비스핀 블랙홀의 총 단면적은 비스핀 전용 생성에 비해 2~3배 향상됨을 보여준다. 이 향상은 모든 스핀 상태를 합산함으로써 발생하며, 고에너지 실험에서 블랙홀의 탐지 가능성 증가를 암시한다.

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 $δ=4-6$.

연구 동기 및 목표

• 큰 추가 차원 상황에서 미래 충돌기에서 스핀이 있는 블랙홀과 비스핀 블랙홀의 생성 단면적을 재평가하기 위해.
• 반정적 방법을 통해 각운동량이 블랙홀 형성 확률에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비스핀 전용 모델에 비해 스핀 블랙홀을 포함할 경우 총 탐지 가능한 단면적에 어떤 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• 허킹 복사에 의한 블랙홀 붕괴와 잠재적 실험적 서식지에 대한 함의를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 충돌 시 중심질량 에너지가 블랙홀의 슈바르츠실트 반경보다 작은 영역에 압축될 때 블랙홀 형성 모델링을 위해 반정적 방법을 사용한다.
• D = 4 + δ 차원에서 회전 블랙홀 해를 적용하며, 반경은 질량과 무차원 스핀 매개변수 a에 따라 달라진다.
• 기하학적 근사법을 사용하여 스핀에 의존하는 단면적을 유도한다: σ ∝ R_BH², 여기서 R_BH는 스핀이 있는 블랙홀의 경우 (1 + a²)⁻¹/(δ+1) 배로 감소한다.
• 모든 가능한 스핀 상태(0에서 a = (δ+2)/2까지)를 합산하여 파arton 수준에서 총 생성 단면적을 계산한다.
• 파트온 분포 함수와의 콘볼루션을 통해 pp → BH + X 충돌 과정에서의 총 단면적을 도출한다.
• 허킹 복사 붕괴 단계와 온도 의존성을 고려하며, 스핀이 있는 블랙홀은 비스핀 블랙홀보다 약간 더 높은 온도를 가짐을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각운동량은 충돌기에서 블랙홀 생성을 위한 기하학적 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 스핀이 있는 블랙홀와 비스핀 블랙홀을 모두 포함할 경우 총 생성 단면적은 얼마인가?
• RQ3 비스핀 전용 경우에 비해 총 블랙홀 생성 단면적은 얼마나 향상되는가?
• RQ4 같은 질량의 비스핀 블랙홀에 비해 스핀이 있는 블랙홀의 허킹 온도는 어떻게 되는가?
• RQ5 블랙홀 스핀은 LHC와 같은 충돌기 실험에서 탐지 가능성에 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 스핀이 있는 블랙홀의 생성 단면적은 비스핀 블랙홀에 비해 슈바르츠실트 반경이 감소함에 따라 (1 + a²)⁻²/(δ+1) 배로 억제된다.
• 이 억제에도 불구하고, 모든 허용 가능한 스핀 상태를 합산함으로써 총 단면적은 δ = 4일 경우 약 2배, δ = 6일 경우 3배로 향상된다.
• 이 향상은 모든 허용 가능한 스핀 상태를 합산함으로써 발생하며, 블랙홀 생성의 총 확률을 증가시킨다.
• 반경이 작고 곡률이 더 강하기 때문에 스핀이 있는 블랙홀는 같은 질량의 비스핀 블랙홀보다 더 높은 허킹 온도를 가진다.
• 총 단면적 향상은 스핀을 고려할 경우 향후 충돌기 실험에서 블랙홀를 관측할 가능성의 상당한 증가를 암시한다.
• 연구는 반정적 유효성과 플랑크 규모 근처의 스트링 보정을 무시함을 가정하며, 향후 보완의 여지가 있다.