[論文レビュー] Non thermal small black holes

Xavier Calmet, Dionysios Fragkakis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2012

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 19被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、低スケール量子重力モデルにおける大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での非熱的量子ブラックホール（QBH）の生成と崩壊を調査する。QBHは半古典的ブラックホールとは異なり、離散的質量スペクトルを持つ可能性があり、少数の最終状態粒子を伴う共鳴的のような崩壊シグナルを示す。これは、標準的ヒッグス放射予測とは異なる、新たな検証可能なシグナルを提供する。

ABSTRACT

In this chapter we review the current theoretical state of the art of small black holes at the LHC. We discuss the production mechanism for small non thermal black holes at the LHC and discuss new signatures due to a possible discrete mass spectrum of these black holes.

研究の動機と目的

• 低スケール量子重力フレームワーク内でのLHCにおける小規模非熱的ブラックホールの生成メカニズムを分析すること。
• 量子ブラックホールに離散的質量スペクトルが与えられる場合の意味を検討し、半古典的ブラックホールの連続的スペクトルと対比すること。
• LHCで検出可能な、新しい特徴的な崩壊シグナルを特定すること。
• ゲージ荷電（色荷およびU(1)荷電）がQBHの生成と崩壊に与える役割を、特にクォーク・グルーオンのダイナミクスとクオンファインメントの文脈で評価すること。
• ユニタリティおよび摂動的制約を考慮し、大次元の追加次元または変動するプランク質量を持つモデルにおけるQBH生成の妥当性を評価すること。

提案手法

• QBH生成のベースラインとして、QBH質量および追加次元に依存するシュバルツシルト半径式から導かれるrₛを用いた幾何的断面積πrₛ²を用いる。
• 高エネルギーでの初期状態パートン衝突をモデル化するため、パートン分布関数（PDF）f_i(v,Q)およびf_g(v,Q)を用い、動量分率z、u、vについて統合する。
• 色および電荷保存を組み込んだ修正された断面積式を導入し、SU(3)₆表現（例：スレート、八重項）およびQED電荷中性の係数を含める。
• 長波長またはオフシェルモードへの結合が抑制されるという仮定の下でQBH崩壊をモデル化し、QBHサイズと同等のド・ブロイ波長を持つ粒子への崩壊を好む。
• 連続的スペクトルと離散的スペクトルを区別する：離散的スペクトルでは、量子化された質量を持つ個々のQBH状態の合計断面積として表される。
• 経路積分的手法およびユニタリティ制約を適用し、半古典的極限を避けて量子領域への外挿を正当化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低スケール量子重力モデルにおけるLHCで、離散的質量スペクトルを持つ量子ブラックホール（QBH）は生成可能か？
• RQ2 離散的質量を持つQBHの崩壊シグナルは、ヒッグス放射によって崩壊する半古典的ブラックホールとどのように異なるか？
• RQ3 色およびU(1)荷電はQBHの生成と崩壊にどのような役割を果たすか？また、断面積および最終状態粒子分布に与える影響は何か？
• RQ4 量子重力における最小長スケールの存在により、QBHの質量スペクトルが量子化されるのか？その現象的結果は何か？
• RQ5 ユニタリティおよび摂動的制約は、半古典的ブラックホール形成が顕著になる以前のQBH生成の妥当性にどのように影響するか？

主な発見

• 量子領域におけるQBHは非熱的であり、それぞれの粒子のド・ブロイ波長がブラックホールサイズと同等の少数の高エネルギー粒子にのみ崩壊すると予想される。
• 離散的質量スペクトルを持つQBHの生成断面積は、個々の状態の合計として与えられ、各状態の断面積は幾何的断面積πrₛ²およびパートンレベルのPDFによって決定される。
• QBHはSU(3)₆色荷およびQED荷電を有することができ、スレート、八重項、十重項などさまざまな表現で生成され、表現に応じて異なる断面積を示す。
• プランク質量が1 TeVの場合、プランクスケールから半古典的領域までの間で約5つのQBH状態が予測され、離散的スペクトルの支持が得られる。
• 色スレートおよび八重項状態では生成断面積が増幅され、スレート状態はグルーオン融合に比べ1/9の抑制因子、八重項状態は1/64の抑制因子を示す。
• 長波長モードへの結合が抑制されるという仮定により、精度測定および陽子崩壊制約との矛盾を回避でき、TeVスケールでのモデルの妥当性が支持される。