[논문 리뷰] 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 Bleicher외 4명|ArXiv.org|2001. 11. 06.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 고준위 운동량을 가진 제트의 억제가 큰 추가 차원(LED)에 대한 특징적인 서명으로 작용할 수 있으며, 이는 블랙홀 생성에 기인한다. 미세정열역학을 사용하여 d > 5인 경우 약 100 fm/c의 블랙홀 수명을 추정함으로써, 허킹 복사에 의해 억제되는 것으로 인해 준안정 상태의 잔여물이 생기며, 이는 이전의 과소평가를 도전하고 표준 제트+누락 에너지 서명을 넘어서 검출 가능한 신호를 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LHC 충돌에서 고P_T 제트 억제가 큰 추가 차원에 대한 고유한 서명으로 기능할 수 있는지 규명하는 것.
• 이전의 과소평가를 수정하기 위해 미세정열 집합을 사용하여 준안정 상태의 미세 블랙홀의 수명을 재평가하는 것.
• 쿼크-글루온 플라즈마와 초기 우주에서의 블랙홀 증발 속도에 대한 중간 매질의 영향을 조사하는 것.
• 중력자 생성에 대한 ATLAS 제트 + 누락 에너지 서명과 제트 억제 서명을 비교하는 것.
• 준안정 상태의 블랙홀 잔여물이 양자 중력 현상학에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• D=4+d 차원의 슈바르츠실트 해를 기반으로 R_H를 유도함으로써, 기하학적 단면적 σ ≈ πR_H²을 통한 큰 추가 차원에서의 블랙홀 생성 모델링.
• 온도 의존성 T_H ∝ M^{-(1+d)^{-1}}을 사용하여, 블랙홀 붕괴 속도를 계산하기 위해 미세정열 집합을 적용.
• Hawking 복사에 기반한 d개의 추가 차원에서 유도된 Γ를 사용하여 블랙홀 질량의 시간 진화를 dM/dt = -Γ 식을 통해 유도.
• 우주론적 및 QGP 환경에서의 중간 매질 효과를 반영하기 위해, ρ ∝ (M/M_f)^{2/(1+d)} (m_P/M_f)^2 H^2로 표현된 에너지 증가 모델링.
• √s = 14 TeV에서의 pp 충돌에서 블랙홀의 파인만 x 분포를 계산하기 위해 CTEQ4 파arton 분포 함수 사용.
• 브레인 월드 시나리오에서 수정된 프리드만 방정식을 해결하여 초기 우주에서 블랙홀 에너지가 우주 유체로부터 증가하는 것을 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 고P_T 제트 억제가 큰 추가 차원에 대한 고유한 서명으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 미세정열역학과 유한 체적 효과는 이전의 캐논리컬 모델에 비해 미세 블랙홀 수명 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 쿼크-글루온 플라즈마 또는 초기 우주 우주 유체와 같은 주변 매질이 블랙홀 증발 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 조건에서 매질로부터의 에너지 증가로 인해 블랙홀 증발이 멈출 수 있는가?
• RQ5 M_f 이하의 에너지 스케일에서 준안정 상태의 블랙홀 잔여물이 형성될 수 있으며, 이는 검출 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제트 억제 서명은 전단 운동량에 대한 단면적(pp → 제트 + X)에서 날카로운 컷오프를 보이며, 중력자 교환에 의한 부드러운 억제와 대조된다.
• d > 5인 경우, 블랙홀 수명은 약 100 fm/c로 추정되며, 이는 고차원에서의 허킹 복사 억제로 인해 이전 추정치보다 훨씬 길다.
• 초기 질량 M ≈ 10 M_f 및 M_f = 1 TeV일 경우, QGP에서의 증발 속도는 매질 에너지 밀도가 약 QGP 밀도의 10^9배에 도달할 때 사라지며, 이는 잠재적인 안정화를 암시한다.
• 초기 우주에서는 블랙홀 증발이 M(t)/M_f ≈ 10 g_*(t)^{-1} (M_f/GeV)^{1+d} (GeV/T(t))^{2+2d}일 때 멈추며, 이는 T > 1 TeV 조건에서 우주 유체로부터의 에너지 증가로 인한 것이다.
• 이 모델은 통계역학이 M_f 이하에서도 유효하다면, M ~ TeV인 블랙홀들이 준안정 상태의 잔여물을 남길 수 있으며, 이는 완전한 증발이라는 가정을 도전한다.
• 생성된 블랙홀의 운동량 분포는 M < 10 TeV일 경우 복합 쿼크 채널에서 최고에 도달하며, 무거운 쿼크 기여는 무시할 만큼 작다.