[论文解读] Manual of BlackMax, a black-hole event generator with rotation, recoil, split branes, and brane tension

De-Chang Dai, Ç. İşsever+4 more|ArXiv.org|Feb 20, 2009

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 11被引用 15

一句话总结

BlackMax v2.00 是一种多功能事件生成器，用于模拟大额外维与低尺度量子引力模型中的微观黑洞产生与衰变。它整合了旋转、反冲、分裂膜、膜张力以及引力子/光子辐射，采用真实截面并支持质子-质子、质子-反质子和电子-正电子碰撞的可配置参数，完全兼容 LHAPDF 用于部分子密度函数，以及 Pythia/HERWIG 用于强子化过程。

ABSTRACT

This is the users manual of the black-hole event generator BlackMax, which simulates the experimental signatures of microscopic and Planckian black-hole production and evolution at proton-proton, proton-antiproton and electron-positron colliders in the context of brane world models with low-scale quantum gravity. The generator is based on phenomenologically realistic models free of serious problems that plague low-scale gravity. It includes all of the black-hole gray-body factors known to date and incorporates the effects of black-hole rotation, splitting between the fermions, non-zero brane tension and black-hole recoil due to Hawking radiation (although not all simultaneously).

研究动机与目标

• 为大额外维与低尺度量子引力模型中的黑洞产生与衰变提供一个全面且用户可配置的事件生成器。
• 整合高级物理效应，如黑洞旋转、霍金辐射引起的反冲、非零膜张力以及分裂费米子情形。
• 实现对不同对撞机类型（pp、p̄p、e+e−）中黑洞信号的精确模拟，支持对普朗克尺度约定的灵活参数化。
• 确保与标准高能物理工具（如 LHAPDF 用于部分子密度函数，Pythia/HERWIG 用于强子化）的完全兼容。
• 通过实施一致且具有物理依据的截面公式，解决现有生成器（如 Charybdis）中截面定义的不一致问题。

提出的方法

• 该生成器采用黑洞形成与衰变的半经典和量子力学模型，整合了所有已知的霍金辐射灰体因子。
• 实现了一种改进的截面公式 σ_bm = b_d²πr_s²，其中 b_d 考虑了黑洞旋转和额外维度的影响，与 Charybdis 中使用的标准公式 σ_ch = πr_s² 不同。
• 通过参数 '_of_M_pl' 支持用户定义的普朗克尺度约定（PDG、Giddings-Thompson、Dimopoulos-Landsberg）。
• 在霍金辐射前的“去毛化”阶段包含引力子和光子的发射，当启用时，通过 Yoshino-Rychkov 抑制因子建模能量损失。
• 事件输出采用 Les Houches 协议（LHA）格式，可直接与 Pythia 和 HERWIG 接口，用于部分子辐射和强子化。
• 集成 LHAPDF 以实现动态 PDF 访问，并允许用户切换是否守恒重子数/轻子数，同时考虑其对强子化兼容性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑旋转和有限额外维度宽度的情况下，BlackMax 中的黑洞截面与 Charybdis 的相比如何？
• RQ2 膜张力和黑洞反冲对黑洞衰变末态粒子谱有何影响？
• RQ3 在霍金辐射前阶段包含引力子发射，如何影响能量损失和最终黑洞质量？
• RQ4 不同普朗克尺度约定在多大程度上影响预测的截面和衰变特征？
• RQ5 当额外维度宽度设为零时，BlackMax 能在多大程度上准确重现已知截面？其结果如何验证实现的正确性？

主要发现

• 由于旋转黑洞的 b_d² 因子，BlackMax 的截面系统性地大于 Charybdis，当额外维度宽度 L_extra = 0 时，σ_bm/σ_ch ≈ b_d²。
• 当 L_extra 非零时，由于有限宽度效应，BlackMax 的截面降低，导致 σ_bm/σ_ch < b_d²，比较中最大偏差达 3%。
• 对于 M_D = 1000 GeV 且 D = 6 的情形，BlackMax 得到 σ_bm = 90.69 ± 0.84 pb，而 Charybdis 为 σ_ch = 75.20 ± 0.70 pb，因此 σ_bm/σ_ch = 1.21。
• 当 L_extra = 0 时，比值 σ_bm/σ_ch 达到 1.32，与 D = 6 情形下预期的 b_d² = 1.36 密切匹配，确认了在额外维度宽度为零极限下的自洽性。
• 在分裂费米子情形下，BlackMax 正确地根据黑洞残余物的空间位置确定最终爆发阶段的衰变产物。
• 该生成器成功处理了重子数/轻子数守恒设置，当守恒关闭时，会正确标记与 Pythia/HERWIG 的不兼容性。