[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出，如果由于大额外维或翘曲额外维的存在，引力在TeV尺度上局域化，则粒子加速器（如大型强子对撞机LHC）中每秒可能产生约一个黑洞。这些黑洞将通过霍金辐射衰变，产生独特的高多重态末态，可揭示标准模型之外的物理现象，并探测额外维。

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.

研究动机与目标

• 研究若基本普朗克尺度位于TeV尺度，是否可能在高能粒子对撞中产生微观黑洞。
• 评估此类黑洞产生对在实验室实验中检验量子引力和额外维的影响。
• 探讨黑洞衰变特征，特别是通过霍金辐射的衰变，及其在对撞机和宇宙射线簇射中的可观测性。
• 考察黑洞信息丢失的理论挑战，以及实验观测如何为量子引力提供启示。
• 提出黑洞产生标志着对亚普朗克距离物理探测的终结，但开启了探索额外维几何的新窗口。

提出的方法

• 采用大额外维或翘曲额外维的TeV尺度引力情景，将有效普朗克尺度降低至约1 TeV。
• 利用箍索猜想和 trapped 表面形成，估算部分子-部分子碰撞中黑洞产生的截面，形式为 σ ∼ E^(1/(n+1))，其中 n 为额外维数。
• 应用贝肯斯坦-霍金熵公式，确保当 S_BH ≳ 25 时发生经典黑洞形成，要求 E ≳ 5M_P。
• 将黑洞衰变建模为三个阶段：'秃头'阶段（失去偶极矩等），'自旋衰减'阶段（霍金辐射优先在赤道平面发射），以及'Schwarzschild阶段'（热辐射）。
• 估算各阶段的能量损失：'秃头'阶段损失约15–40%，'自旋衰减'阶段损失约25%，'最终热辐射阶段'损失约75%。
• 应用反 de Sitter 空间/共形场论对偶（AdS/CFT 对应），将反 de Sitter 空间中的黑洞形成与高能强子散射联系起来，暗示对 Froissart 上限的对偶描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 若基本普朗克尺度位于TeV尺度，LHC 可达能量下部分子碰撞的黑洞产生截面是多少？
• RQ2 在初始的'秃头'阶段后，黑洞还剩余多少能量？最终质量在霍金蒸发开始前由什么决定？
• RQ3 高维黑洞的霍金辐射预期信号是什么？与四维预测有何不同？
• RQ4 若自然界中实现TeV尺度引力，地球大气层中的宇宙射线碰撞是否可能产生可观测的黑洞簇射？
• RQ5 在普朗克尺度的黑洞最终衰变揭示了关于量子引力的什么信息？实验观测如何有助于解决黑洞信息悖论？

主要发现

• 若由于大额外维或翘曲额外维的存在，基本普朗克尺度位于约1 TeV，则LHC每秒可能产生约一个黑洞。
• 黑洞产生截面估计为 σ ∼ E^(1/(n+1))，当 n = 6 个额外维时，截面足够大，可在LHC实现可观测率。
• '秃头'阶段预计保留初始能量的15–40%，依据为 trapped 表面的增长及对四维结果的外推。
• '自旋衰减'阶段可能造成高达25%的总能量损失，辐射优先在赤道平面发射。
• 最终的'Schwarzschild阶段'约占总衰变能量的75%，表现为各向同性、热辐射谱特征，符合霍金辐射特征。
• 衰变产物（轻子、夸克、胶子）将具有极高能量且数量众多，产生与标准模型背景显著不同的独特信号。