[論文レビュー] Black Hole Production at a TeV

Roberto Emparan|ArXiv.org|Feb 25, 2003

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 20被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、大きな余剰次元を伴うモデルにおけるテルバールスケールのエネルギーでブラックホールとそのストリング理論的前身である「ストリングボール」の生成を調査する。$M_*$に近いエネルギー領域では、重力的収縮によってブラックホールが形成され、ホーキング放射によって崩壊するが、低質量領域ではストリング効果によりストリングボールが支配的になる。両者の断面積は大きく、LHCで観測可能であり、それぞれ特徴的な熱的崩壊スペクトルを示すため、標準模型の共鳴状態とは区別可能である。

ABSTRACT

In this talk I briefly discuss some features of a striking signature of TeV quantum gravity/strings and large extra dimensions: the production of exotic objects such as black holes, and their stringy precursors, the string resonances at large masses which can be dubbed `string balls'. The focus is on aspects less frequently discussed in other reviews of this subject.

研究の動機と目的

• 大規模な余剰次元を伴うテルバールスケールの量子重力理論におけるブラックホールおよびストリングボールの生成と崩壊シグネチャを分析すること。
• 基本スケール $M_*$ 付近における半古典的ブラックホール物理学からストリング的領域への遷移を扱うこと。
• 特に $M_* \sim \text{TeV}$ の場合に、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）でのこれらの特異な物体の検出可能性を評価すること。
• ブラックホールとストリングボールの生成断面積および崩壊特性を比較し、それらが示す特徴的な熱的放射スペクトルの違いに焦点を当てる。

提案手法

• 衝突エネルギーで形成されるブラックホールをモデル化するため、$4+n$次元におけるタンゲルリーニ＝シュワルツシルト計量を用いる。$r \ll L$ と仮定して、コンパクト次元の効果を無視する。
• 宇宙的遮断とイベントホライズン形成の議論を適用し、プランクスケールを超える散乱がホライズンの背後に隠され、ブラックホール形成の半古典的記述が可能であることを正当化する。
• エネルギー $E \sim M_*$ において有効な幾何的断面積 $\sigma \sim \text{TeV}^{-2}$ をブラックホール生成の断面積として導出する。
• ストリング摂動理論を適用して、フォワード弾性散乱を介したストリングボール生成の断面積を計算し、$\sigma \sim g_s^2 s / M_s^4$ を得る。
• ユニタリティの上限 $g_s^2 s / M_s^2 \sim 1$ を用いて、$\sigma \sim M_s^{-2}$ で断面積が飽和することを推定し、ブラックホール形成への滑らかな遷移を示す。
• ブラックホールのホーキング放射（質量に従って温度が低下）とストリングボールのハーゲドーン放射（$T \sim T_H$ で固定温度）を比較することで、実験的区別が可能であることを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な余剰次元を伴うモデルにおいて、テルバールスケールエネルギーでのブラックホール生成断面積はいかほどか？
• RQ2 $M_{\text{min}} \sim M_s / g_s^2$ の領域で、ストリングボールがブラックホールの前身としてどのように現れるか？
• RQ3 ブラックホールとストリングボールの崩壊シグネチャの主な相違点は何か。LHCでそれらを区別できるか？
• RQ4 LHCがブラックホールを生成できない条件は何か。ストリング結合定数 $g_s$ はその条件においてどのような役割を果たすか？
• RQ5 ストリングボール生成断面積は、摂動的ストリング理論からブラックホール形成の幾何的領域へどのように滑らかに内挿されるか？

主な発見

• エネルギー $E \sim M_*$ におけるブラックホール生成断面積は $\sigma \sim \text{TeV}^{-2}$ に近く、LHCで観測可能である可能性がある。
• $M_{\text{min}} \sim M_s / g_s^2$ よりも低い質量領域ではストリングボールが支配的であり、その生成断面積は $\sigma \sim g_s^2 s / M_s^4$ である。$g_s^2 s / M_s^2 \sim 1$ のとき、$\sigma \sim M_s^{-2}$ で飽和する。
• ストリングボールの崩壊は、質量に依存しない固定されたハーゲドーン温度 $T \sim T_H$ で放射を放出するが、ブラックホールは質量が増加するにつれて温度が低下する。
• この固定温度放射は、LHCにおけるストリングボールとブラックホールの実験的区別を可能にする特徴的なシグネチャを提供する。
• $g_s \lesssim 0.3$ の場合、LHCはブラックホールを生成できない可能性があり、そのような状況ではストリングボールが支配的な観測可能な特異状態となる。
• ストリング理論の普遍性に起因し、グラビトンの存在によりストリングボール生成断面積はストリング理論の種類に依存せず、初期状態の偏光に依存しない（初期粒子が $\sqrt{s}$ よりもはるかに軽量である限り）。