[논문 리뷰] A Model for High Energy Scattering in Quantum Gravity

Tom Banks, Willy Fischler|ArXiv.org|1999. 06. 04.

Black Holes and Theoretical Physics인용 수 225

한 줄 요약

이 논문은 양자 중력에서 고에너지 중력 산산이산산의 반응에 대해 반고전적 모델을 제안한다. 작고 영향력이 큰 영향력이 있는 영역에서는 블랙홀 생성이 지배적이며, 이는 영향력이 큰 영역에서는 이케날화된 중력보 교환에 의해 지배된다. 주요 결과는 플랑크 스케일보다 훨씬 높은 에너지에서 포함된 단면적은 고전적 일반 상대성 이론으로 잘 기술되며, 블랙홀 생성과 호킹 붕괴가 비탄성 과정을 설명하고 탄성 산산이산산을 억제한다.

ABSTRACT

We present a model for high energy two body scattering in a quantum theory of gravity. The model is applicable for center of mass energies higher than the relevant Planck scale. At impact parameters smaller than the Schwarzchild radius appropriate to the center of mass energy and total charge of the initial state, the cross section is dominated by an inelastic process in which a single large black hole is formed. The black hole then decays by Hawking radiation. The elastic cross section is highly suppressed at these impact parameters because of the small phase space for thermal decay into a high energy two body state. For very large impact parameter the amplitude is dominated by eikonalized single graviton exchange. At intermediate impact parameters the scattering is more complicated, but since the Schwarzchild radius grows with energy, we speculate that a more sophisticated eikonal calculation which uses the nonlinear classical solutions of the field equations may provide a good approximation at all larger impact parameters. We discuss the extent to which black hole production will be observable in theories with low scale quantum gravity and large dimensions.

연구 동기 및 목표

• 플랑크 스케일보다 훨씬 높은 에너지에서 양자 중력의 고에너지 이중입자 산산이산산의 거시적 특성을 기술하기 위해.
• 탄성 산산이산산(중력보 교환에 의해)과 블랙홀 생성에 의해 지배되는 비탄성 과정 사이의 전이를 이해하기 위해.
• 낮은 스케일 양자 중력과 큰 추가 차원을 가진 이론에서 블랙홀 생성의 관측 가능성 평가하기 위해.
• 블랙홀 생성이 존재하는 상황에서도 고전적 일반 상대성 이론이 포함 단면적을 신뢰성 있게 기술할 수 있는지 판단하기 위해.
• 특히 고운동량 임펄스 제트의 억제와 칼류자-클라인 모드의 역할을 고려해, 블랙홀 생성의 실험적 서명을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 고에너지에서 Aichelburg-Sexl 충격파 메트릭을 사용하여 두 입자 산산이산산를 고전적 일반 상대성 이론으로 모델링한다.
• 중심질량 에너지에 비례하는 슈바르츠실트 반지름 $ R_S $ 를 임계 영향력 기준으로 사용한다: $ R_S $ 이하에서는 블랙홀 생성이 지배적이다.
• 비탄성 단면적을 단일 블랙홀 생성 후 호킹 복사에 의해 지배된다고 모델링하며, 열역학적 붕괴 공식을 사용한다.
• 큰 영향력 기준에서는 고전적 해와 일치하는 이케날화된 단일 중력보 교환에 의해 산산이산산를 기술한다.
• 큰 추가 차원이 있는 상황으로 모델을 확장하여, 붕괴 과정에서 칼류자-클라인 중력보 모드의 역할과 위상공간 억제를 분석한다.
• 프로이사르 경계를 사용하여 고에너지에서 비탄성 과정이 억제됨을 주장하며, 연구된 영역에서 고전 물리학의 지배적 역할을 정당화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플랑크 스케일보다 훨씬 높은 중심질량 에너지에서, 특히 블랙홀가 고전적으로 생성되는 영역에서 산산이산산 단면적은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 영향력 기준에 따라 탄성 산산이산산(중력보 교환에 의해)과 비탄성 과정(블랙홀 생성에 의해)의 기여 비율은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 블랙홀 생성 임계점 근처에서 고전적 일반 상대성 이론이 고에너지 양자 중력에서 포함 단면적을 어느 정도 신뢰성 있게 기술할 수 있는가?
• RQ4 큰 추가 차원을 가진 모델에서 블랙홀 생성의 관측 가능한 서명은 무엇이며, 표준 모형이나 페르투르베이티브 스트링 이론 예측과 어떻게 다를까?
• RQ5 고운동량 임펄스 제트의 억제는 블랙홀 생성의 청결한 실험적 신호가 될 수 있으며, 어떤 에너지 스케일에서 이 효과가 두드러지게 나타나는가?

주요 결과

• 영향력 기준이 슈바르츠실트 반지름 $ R_S $ 보다 작은 영역에서는 비탄성 단면적이 단일 블랙홀 생성에 의해 지배되며, 블랙홀은 호킹 복사에 의해 붕괴된다.
• 작은 영향력 기준에서는 고에너지 이중입자 최종 상태로의 열역학적 붕괴에 대한 위상공간이 작아져 탄성 단면적이 크게 억제된다.
• 큰 영향력 기준에서는 고전적 일반 상대성 이론과 일치하는 이케날화된 단일 중력보 교환이 산산이산산를 지배한다.
• 슈바르츠실트 반지름은 에너지에 비례하여 증가하므로, 고전적 해를 사용한 비선형 이케날화 접근법이 모든 더 큰 영향력 기준에서 산산이산산를 근사할 수 있다.
• 큰 추가 차원이 있는 이론에서는 블랙홀 붕괴가 주로 칼류자-클라인 중력보 모드로 이루어지며, 이는 탐지기에서 보이지 않아 최종 상태를 직접 관측하기 어렵다.
• 블랙홀 생성 임계점에 도달하면 하드 QCD 과정(예: 고운동량 임펄스 제트)이 억제되며, 에너지가 높아질수록 이 효과가 더욱 두드러진다. 이는 잠재적인 실험적 서명을 제공한다.