[論文レビュー] Black holes in the lab?

Steven B. Giddings|arXiv (Cornell University)|May 21, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、もしふつうの重力が大規模なまたはねじれた余剰次元によってテヴ単位のスケールに局在化しているならば、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のような粒子加速器で、1秒に約1個の割合でブラックホールが生成される可能性があると提唱している。これらのブラックホールはホーキング放射によって崩壊し、標準模型を越える物理学を露見にするのを助けるユニークで多量の最終状態を生じさせるだろう。

ABSTRACT

If TeV-scale gravity describes nature, black holes will be produced in particle accelerators, perhaps even with impressive rates at the Large Hadron Collider. Their decays, largely via the Hawking process, will be spectacular. Black holes also would be produced in cosmic ray collisions with our atmosphere, and their showers may be observable. Such a scenario means the end of our quest to understand the world at shorter distances, but may represent the beginning of the exploration of extra dimensions.

研究の動機と目的

• もし基本的なプランクスケールがテヴスケールにあるならば、高エネルギー粒子衝突でマイクロスコピックブラックホールを生成することが可能かどうかを調査すること。
• このようなブラックホール生成が、実験室で量子重力や余剰次元をテストする上で及える影響を評価すること。
• 特にホーキング放射を通じたブラックホールの崩壊シグネチャーを探索し、加速器や宇宙線シャワーでの観測可能性を検討すること。
• ブラックホール情報パラドックスの理論的課題を検討し、実験的観測が量子重力の理解をどのように助けるかを検討すること。
• ブラックホール生成が、プランクスケール未満の距離での物理学の探査の終わりを意味するが、余剰次元の幾何学的性質を新たに覗きこむ窓を開く可能性があると提唱すること。

提案手法

• 余剰次元が大規模またはねじれており、有効プランクスケールが約1 TeVにまで低下するTeVスケールの重力シナリオを採用する。
• ホープ予想と捕獲表面の形成を用いて、ブラックホール生成の部分素粒子間断面積を推定し、n個の余剰次元に対してσ ∼ E^(1/(n+1))とする。
• ベケンシュタイン＝ホーキングエントロピー公式を適用し、S_BH ≳ 25のとき古典的ブラックホール形成が可能であることを保証し、E ≳ 5M_Pを要請する。
• ブラックホール崩壊を段階的にモデル化する：「ハゲる段階」（多重極モーメントの喪失）、「スピンダウン段階」（赤道面に偏ってホーキング放射が放出）、および「シュバルツシルト段階」（熱放射）。
• 各段階でのエネルギー損失を推定する：ハゲる段階で約15–40％、スピンダウン段階で約25％、最終的な熱放射段階で約75％。
• AdS/CFT双対性を用いて、反ド・ジッター空間におけるブラックホール形成と高エネルギー強子散乱を関連づけ、フロワッサン境界の双対記述を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もし基本的プランクスケールがテヴスケールにあるならば、LHCでアクセス可能なエネルギーでの部分素粒子衝突におけるブラックホール生成断面積はどの程度か？
• RQ2 初期の「ハゲる段階」の後に残るブラックホールのエネルギーはどの程度で、ホーキング蒸発が開始される前の最終質量は何かを決定づける要因は何か？
• RQ3 高次元ブラックホールからのホーキング放射の期待されるシグネチャーは何か？ 4次元の予測とはどのように異なるか？
• RQ4 もし自然界にTeVスケールの重力が実現しているならば、地球の大気に衝突する宇宙線が観測可能なブラックホールショワーを生成できるか？
• RQ5 プランクスケールでのブラックホールの最終的崩壊が量子重力について何を明らかにするか？ また、実験的観測がブラックホール情報パラドックスの解決をどのように助けるか？

主な発見

• もし大規模またはねじれた余剰次元のおかげで基本的プランクスケールが約1 TeVに低下しているならば、LHCでは1秒に約1個の割合でブラックホールが生成される可能性がある。
• ブラックホール生成断面積はσ ∼ E^(1/(n+1))と推定され、n = 6個の余剰次元ではLHCで観測可能な率に十分な断面積が得られる。
• ブラックホール崩壊の「ハゲる段階」では、捕獲表面の成長と4次元の結果の外挿に基づき、初期エネルギーの15–40％が保持される見込みである。
• 「スピンダウン段階」では、全エネルギー損失の最大25％が占められ、放射が赤道面に偏って放出される可能性がある。
• 最終的な「シュバルツシルト段階」では、全崩壊エネルギーの約75％が占められ、ホーキング放射の特徴的である等方的で熱的放射スペクトルが観測される。
• 生成物であるレプトン、クォーク、グルーオンは非常に高エネルギーで多数生成され、標準模型の背景と明確に異なるユニークなシグネチャーを生じさせる。