[论文解读] Parton picture of inelastic collisions at transplanckian energies

O.V. Kancheli|ArXiv.org|Aug 2, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 9被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于超高能非弹性碰撞的部分子模型，将引力冲击波建模为具有普朗克尺度密度的致密硬部分子圆盘。研究表明，硬引力子的产生源于这些黑洞圆盘的交叠，导致包含截面与重叠面积成正比，并预测随后因长程引力排斥而引发的不稳定性，从而驱动多重外围黑洞链的形成。

ABSTRACT

We propose a parton model of inelastic collisions at transplanckian energies E >> G^{-1/2}, using the gravitons, whose transverse momenta are cut at the Planck scale, as partons. For this purpose we represent the gravitational shock-wave accompanying the fast particle in terms of such partons and take into account the higher order multiperipheral-like contributions. We argue that the internal part of this shock plane contains the ``black'' disk of radius R(E) ~ E^{1/2} filled by such hard partons with the Planck density. When two fast particles collide the hard graviton production comes from the region of intersection of their black disks. The corresponding value of inclusive cross-section at the given rapidity and the impact parameter is proportional to the area of this region. The final state with such hard gravitons is unstable relative to the long range gravitational repulsion, and this leads to the creation of the multiperipheral chain of black holes at later stages of the reaction. We discuss various details of this picture including higher order corrections and there connection to a purely classical approach; we also consider briefly possible changes when additional hidden dimensions are present.

研究动机与目标

• 开发一种基于部分子的模型，用于描述超越微扰方法的非弹性高能引力碰撞。
• 解决经典冲击波模型的局限性，特别是超高能下曲率奇点与非微扰效应的问题。
• 通过半经典部分子图像，纳入高阶多重外围贡献与非微扰引力效应。
• 探讨额外维度对膜世界情景中黑洞圆盘结构与末态动力学的影响。

提出的方法

• 将高速粒子的引力冲击波表示为具有普朗克尺度横向动量截断的致密硬部分子圆盘。
• 将黑洞圆盘半径建模为 R(E) ~ E^{1/2}，其内部由密度 ~ G 的部分子填充，代表冲击波的内部结构。
• 计算固定快度与碰撞参数下的包含截面，其与两个此类黑洞圆盘的交叠面积成正比。
• 考虑高阶多重外围贡献与长程引力排斥，后者会 destabilize 末态。
• 使用eikonal化引力子交换与多重外围图来建模散射振幅中的软与硬贡献。
• 通过将黑洞圆盘半径修改为 R(E) ~ (E/m_p)^{1/(D-2)}（D > 4），将模型推广至高维引力，其中截面由 D-2 维交叠面积决定。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖经典冲击波奇点的前提下，利用部分子模型描述超高能下的非弹性引力碰撞？
• RQ2 高阶多重外围图在塑造高能引力碰撞末态中起到何种作用？
• RQ3 长程引力排斥如何驱动硬引力子产生后多重黑洞链的形成？
• RQ4 额外大维度如何在膜世界模型中改变黑洞圆盘结构与末态动力学？
• RQ5 在部分子图像中，截面与黑洞圆盘重叠面积之间存在何种定量关系？

主要发现

• 硬引力子产生的包含截面与两个黑洞圆盘的重叠面积成正比，每个圆盘的半径为 R(E) ~ E^{1/2}。
• 黑洞圆盘内部填充有密度 ~ G 的部分子，代表引力冲击波的内部结构。
• 由于长程引力排斥，末态不稳定，导致多重外围黑洞链的形成。
• 在高维引力（D > 4）中，黑洞圆盘半径按 R(E) ~ (E/m_p)^{1/(D-2)} 缩放，从而改变截面与能量及维度的关系。
• 弹性散射振幅包含软（类库仑）与虚部衍射分量，后者在小碰撞参数下占主导。
• 有限角度截面表现出快速指数抑制 ~ exp(-s/m_p^2 * C(θ))，原因在于无硬黑洞圆盘时部分子波函数的低概率。