[论文解读] Black Hole Production Rates at the LHC: Still Large

Thomas G. Rizzo|ArXiv.org|Nov 19, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文在额外维度与低基本普朗克尺度（$M_*$）的假设下，研究了大型强子对撞机（LHC）上黑洞（BH）的产生率。尽管伏洛辛提出的指数抑制因子可能削弱几何截面，但研究发现，黑洞产生率在广泛的模型参数范围内仍保持较大，且可能被观测到，特别是在 $M_* \leq 3$ TeV 且 $M_{BH}^{\text{min}} \approx 5$ TeV 的情况下，这是由于部分子密度与抑制效应之间的相互作用所致。

ABSTRACT

We examine the rates for the production of black holes(BH) at the LHC in light of the exponential suppression of the geometric cross section estimate proposed by Voloshin. We show that these rates will still be quite large over a reasonable range of model parameters. While BH production may not be the dominant process, its unique signature will ensure observability over conventional backgrounds.

研究动机与目标

• 评估在几何截面被提议的指数抑制下，LHC 上黑洞产生率是否仍可观测。
• 评估伏洛辛的阻尼因子对额外维度与低 $M_*$ 模型中黑洞产生截面的影响。
• 比较在抑制与非抑制情形下，吉丁斯-托马斯与戴莫普洛斯-兰德斯堡框架的预测结果。
• 确定在 100 fb$^{-1}$ 亮度下，BH 产生率超过探测阈值的 $M_*$ 与 $M_{BH}^{\text{min}}$ 范围。
• 确立黑洞独特衰变信号——通过霍金辐射衰变为大量部分子——即使截面减小，也能确保可观测性。

提出的方法

• 通过几何近似 $\hat{\sigma} \simeq \pi R_S^2$ 计算了部分子级截面，其中 $R_S \sim (M_{BH}/M_*^{2+\delta})^{1/(1+\delta)}$，$\delta$ 为额外维度数。
• 将伏洛辛抑制因子 $S = \exp\left[-C (M_{BH}/M_*)^{(2+\delta)/(1+\delta)}\right]$ 应用于几何截面，从而修改预测产生率。
• 通过卷积部分子分布函数获得总截面：$\sigma = \int d\tau \int dx/x \sum_{ab} f_a(x)f_b(\tau/x) \hat{\sigma}(M_{BH})$。
• 分析比较了两种框架的结果：吉丁斯-托马斯（GT）与戴莫普洛斯-兰德斯堡（DL），二者在 $M_*$ 的定义上不同，因此 $R_S$ 的 $\delta$-依赖性也不同。
• 针对 $M_* = 1$、2 和 3 TeV，$M_{BH}^{\text{min}} = 5$ TeV 的情形，展示了 $\delta = 2$ 至 $6$ 个额外维度下的数值结果。
• 基于黑洞独特衰变信号——霍金辐射衰变为约 25 个或更多部分子，呈球形分布——评估了其可观测性，该信号可与标准模型背景区分开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 伏洛辛抑制因子是否显著降低 LHC 上黑洞的产生率？
• RQ2 在抑制条件下，吉丁斯-托马斯与戴莫普洛斯-兰德斯堡框架在预测黑洞截面方面有何差异？
• RQ3 在何种 $M_*$ 与 $M_{BH}^{\text{min}}$ 范围内，LHC 在 100 fb$^{-1}$ 亮度下仍能观测到足够大的黑洞产生率？
• RQ4 黑洞的独特衰变信号是否能确保即使截面被抑制，其探测仍可行？
• RQ5 随着 $M_*$ 增大，伏洛辛抑制因子的相对有效性如何变化？

主要发现

• 即使存在伏洛辛的指数抑制，对于 $M_* \leq 3$ TeV 且 $M_{BH}^{\text{min}} = 5$ TeV 的情形，LHC 上黑洞产生截面仍保持较大，在某些参数区域可达 100–1000 fb。
• 吉丁斯-托马斯框架的截面高于戴莫普洛斯-兰德斯堡框架，因其具有更大的史瓦西半径，但同时也受到伏洛辛因子更强的抑制。
• 对于 $M_* = 1$ TeV 且 $M_{BH}^{\text{min}} = 5$ TeV 的情形，$\delta = 2$ 至 $6$ 个维度下截面均超过 100 fb，即使在抑制下仍可观测。
• 当 $M_*$ 增大至 3 TeV 时，由于指数中 $M_{BH}/M_*$ 的比值减小，伏洛辛抑制变得不那么有效，从而减弱了阻尼效应。
• 黑洞的独特衰变信号——霍金辐射衰变为约 25 个或更多部分子，呈球形分布——即使在截面减小的情况下，也能确保其在常规背景之上可观测。
• 研究结论认为，即使在保守的抑制假设下，黑洞产生在 LHC 上仍是一个可行且可探测的信号，适用于广泛的模型参数范围。