[论文解读] Black Holes at Future Colliders and Beyond - a Review

G. Landsberg|ArXiv.org|Nov 5, 2002

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用 17

一句话总结

本文综述了在大额外维模型下，未来对撞机和超高能宇宙射线中产生与探测微型黑洞的理论框架，该模型将基本普朗克尺度降低至约1 TeV。研究提出，这些黑洞的霍金辐射——主要由标准模型粒子组成——将产生独特、即时、高多重性的末态，且缺失能量极少，为检验量子引力和探测额外维度提供了独特信号。

ABSTRACT

As was suggested about a year ago, one of the most dramatic consequences of low-scale (~1 TeV) quantum gravity is copious production of mini black holes at future accelerators and in ultra-high-energy cosmic ray collisions. Hawking radiation of these black holes is constrained mainly to our (3+1)-dimensional world and results in rich phenomenology. With the original idea having been cited over a hundred times since its appearence, we review the current status of astrophysical observations of black holes and selected topics in the mini black hole phenomenology, such as production rates at colliders and in cosmic rays, Hawking radiation as a sensitive probe of the dimensionality of extra space, as well as an exciting possibility of finding new physics in the decays of black holes.

研究动机与目标

• 评估在大额外维模型下，未来对撞机和超高能宇宙射线碰撞中微型黑洞产生的可行性与现象学特征。
• 探讨这些黑洞的霍金辐射如何作为探测时空维度数和量子引力本质的探针。
• 评估对撞机和宇宙射线实验探测黑洞事例并提取关于体几何与新物理信息的潜力。
• 研究黑洞在体中形成后重新进入我们3-brane的可能性，从而在膜上产生可观测的衰变。
• 识别关键实验信号，如硬的、即时的、高多重性的末态且缺失能量极少，以区分黑洞事例与标准模型背景。

提出的方法

• 将半经典的霍金辐射形式化应用于具有大额外维的高维引力模型（ADD情景），其中基本普朗克尺度被降低至约1 TeV。
• 应用高能碰撞中黑洞产生的截面公式，表明截面与质心系能量的平方成正比，并受额外维数的增强。
• 将黑洞衰变建模为热辐射，其谱对粒子味不敏感，预测会大量发射光子、轻子和夸克。
• 通过估算产生率（例如，当MP = 1 TeV时，LHC上约为1 Hz）并分析末态信号，评估对撞机实验中黑洞的可探测性。
• 考虑通过地球穿透中微子探测宇宙射线，其中在大气层或地球中形成黑洞可能导致中微子被吸收，从而提供独特信号。
• 分析黑洞在体中形成且有效普朗克尺度较低（例如，在无限体积模型中约为0.01 eV）的情景，这些黑洞可能稳定，并在重新进入膜后导致膜上高能衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大额外维模型下，微型黑洞在未来的对撞机和超高能宇宙射线中的产生率是多少？
• RQ2 黑洞的霍金辐射如何作为探测额外空间维度数量的探针？
• RQ3 黑洞事例的显著实验信号是什么，能够将其与标准模型背景区分开来？
• RQ4 在额外维的体中形成的黑洞是否可能重新进入我们的3-brane并产生可观测的衰变？
• RQ5 利用现有和未来的宇宙射线探测器，可以对大额外维模型施加哪些约束？

主要发现

• 如果基本普朗克尺度为1 TeV，由于缺乏小耦合常数导致截面较大，LHC上微型黑洞的产生率可达到约每秒1个。
• 黑洞的霍金辐射预计对味不敏感，将产生丰富的标准模型粒子谱，包括硬的、即时的光子和带电轻子，且缺失能量极少。
• 黑洞衰变中缺失能量的缺失使得能够精确重建黑洞的质量和温度，从而可对霍金辐射定律进行检验。
• 宇宙射线探测器可能在LHC运行之前就观测到黑洞事例，特别是当黑洞在大气层或地球中形成时，可能导致地球穿透的高能中微子被吸收。
• 在体中形成且有效普朗克尺度极低（例如，约0.01 eV）的黑洞可保持稳定，当其重新进入膜后，可能衰变为约10个粒子，每个粒子能量约为10^18 GeV，释放的能量相当于大型常规炸弹。
• 体中黑洞重新进入膜可能导致可观测的高能事例，为超高能宇宙射线的起源提供一种新颖机制。