[论文解读] Mini Black Holes at the LHC: Discovery Through Di-Jet Suppression, Mono-Jet Emission and a Supersonic Boom in the Quark-Gluon Plasma in ALICE, ATLAS and CMS

B. Betz, Marcus Bleicher+4 more|ArXiv.org|Jun 19, 2006

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 85被引用 3

一句话总结

本文提出，LHC 重离子碰撞中产生的微型黑洞可通过二喷射抑制、单喷射发射以及夸克-胶子等离子体中的马赫激波被探测到。该研究预测，在 500 GeV 以上，高-$p_T$ 背对背二喷射将完全抑制，随后的霍金衰变将产生硬单喷射，并可能形成赫克勒-卡普斯塔-霍金等离子体，从而产生可观测的马赫锥。

ABSTRACT

We examine experimental signatures of TeV-mass black hole formation in heavy ion collisions at the LHC. We find that the black hole production results in a complete disappearance of all very high $p_T$ ({$> 500$} GeV) back-to-back correlated di-jets of total mass {$M > M_f \sim 1$}TeV. We show that the subsequent Hawking-decay produces multiple hard mono-jets and discuss their detection. We study the possibility of cold black hole remnant (BHR) formation of mass $\sim M_f$ and the experimental distinguishability of scenarios with BHRs and those with complete black hole decay. Finally we point out that a Heckler-Kapusta-Hawking plasma may form from the emitted mono-jets. In this context we present new simulation data of Mach shocks and of the evolution of initial conditions until the freeze-out.

研究动机与目标

• 确定在 LHC 重离子碰撞中产生TeV尺度黑洞的实验信号。
• 利用探测器信号区分完全黑洞衰变与稳定黑洞残余物（BHR）的形成。
• 研究霍克勒-卡普斯塔-霍金等离子体从霍金衰变产物中形成及其可探测性。
• 对由单喷射或BHR引发的夸克-胶子等离子体中的流体动力学激波和马赫波传播进行建模。
• 为 ALICE、ATLAS 和 CMS 实验中探测黑洞现象提供现象学框架。

提出的方法

• 使用阿卡尼-哈米德-迪穆普洛斯-达瓦利模型并引入大额外维，通过经典几何截面估算黑洞产生截面。
• 应用部分子分布函数（CTEQ4），并对动量分数进行积分，计算黑洞产生的微分和总截面。
• 对黑洞霍金衰变至多个硬单喷射进行建模，这些信号可在高能对撞机实验中被探测到。
• 模拟重离子碰撞中初始条件的流体动力学演化，包括激波特性和通过强子化判据的冻结-out过程。
• 利用关系式 $\phi = \arccos(v_s / v_{\text{jet}})$ 计算马赫锥角度，以预测 ALICE 中两粒子和三粒子关联函数中的可观测角相关性。
• 评估黑洞残余物在夸克-胶子等离子体中的传播，估算其速度最高可达 $0.9c$，以评估马赫锥的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 高-$p_T$ 背对背二喷射（$>500$ GeV）的完全抑制能否作为重离子碰撞中黑洞产生的决定性信号？
• RQ2 在 ALICE 探测器中，如何通过实验信号区分稳定黑洞残余物（BHR）与完全黑洞衰变？
• RQ3 霍金衰变产生的单喷射在夸克-胶子等离子体中会产生哪些可观测的流体动力学信号，如马赫激波？
• RQ4 霍金辐射能否形成赫克勒-卡普斯塔-霍金等离子体，并诱导可探测的激波和熵变？
• RQ5 在何种条件下，高速运动的黑洞残余物或喷射诱导的激波可在 QGP 中产生马赫锥？

主要发现

• 该研究预测，当 $p_T > 500$ GeV 且不变质量 $M > M_f \sim 1$ TeV 时，背对背二喷射将完全抑制，且该结果与具体模型参数无关。
• 黑洞衰变会产生多个硬单喷射，可在 ATLAS 和 CMS 中探测到，对于 $M_f \sim 1$ TeV 且 $d = 2$ 至 $7$ 个额外维度，截面范围为 400 pb 至 10 nb。
• 初始温度为 500 GeV 的赫克勒-卡普斯塔-霍金等离子体可由霍金衰变形成，并在 QGP 中膨胀，导致熵增加并改变强子化条件。
• 流体动力学模拟表明，喷射诱导的激波会导致显著的熵增加，从而改变冻结-out点并降低每个夸克的重子化学势。
• 马赫锥的形成角度为 $\phi = \arccos(v_s / v_{\text{jet}})$，可通过 ALICE 中的两粒子和三粒子关联函数进行观测。
• 质量约为 $M_{\text{BHR}} \sim 1$ TeV 的黑洞残余物可达到 $v_{\text{BHR}} \sim 0.9c$ 的速度，若其速度超过 QGP 中声速（$c_s \sim 0.57c$），将产生可观测的马赫锥。