[论文解读] Mini Black Holes in the first year of the LHC

Horst Stoecker|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文研究了早期LHC重离子碰撞中产生TeV质量黑洞的实验信号，提出通过ALICE TPC中的二喷胶抑制、单喷胶发射以及电离径迹可探测黑洞或其稳定残留物。关键结果表明，即使在第一年中等亮度条件下，质量接近1 TeV的带电黑洞残留物（BHRs）也可通过ALICE时间投影室中高度电离、低曲率径迹被识别。

ABSTRACT

The experimental signatures of TeV-mass black hole (BH) formation in heavy ion collisions at the LHC is examined. 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. Due to the rather moderate luminosity in the first year of LHC running the least chance for the observation of BHs or BHRs at this early stage will be by ionizing tracks in the ALICE TPC. Finally we point out that stable BHRs would be interesting candidates for energy production by conversion of mass to Hawking radiation.

研究动机与目标

• 识别早期LHC重离子碰撞中TeV尺度黑洞产生的实验可区分信号。
• 评估在LHC运行第一年有限亮度条件下探测黑洞残留物（BHRs）的可行性。
• 评估ALICE TPC中电离径迹作为稳定BHRs主要探测通道的潜力。
• 探讨稳定BHRs作为通过霍金辐射转换实现能量生产的候选者的影响。
• 比较黑洞完全衰变与不完全衰变形成BHRs的场景，重点关注可探测性。

提出的方法

• 使用几何近似 σ(M) ≈ πR_H² 建模黑洞产生截面，其中 R_H 由高维史瓦西半径公式推导得出。
• 应用广义不确定性原理（GUP）修改态密度，降低高能截面，涵盖对黑洞与标准模型（SM）过程的影响。
• 使用PYTHIA 6.2与CHARYBDIS事件生成器模拟黑洞衰变，以预测喷胶多重性、能量谱及事件拓扑。
• 利用CTEQ4部分子分布函数估算在 √s = 14 TeV 的质子-质子碰撞中黑洞产生的微分与积分截面。
• 分析动量与拓扑信号：在 p_T > 500 GeV 条件下，对向二喷胶的完全抑制，各向同性单喷胶发射（平均能量约100 GeV）及高球形度。
• 通过时间飞行与空间分辨率建模ALICE TPC中带电BHRs的探测，其特征为高度电离、低曲率径迹，质量重建可行。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC中黑洞产生是否会导致 M > 1 TeV 且 p_T > 500 GeV 的高动量反向二喷胶完全抑制？
• RQ2 在第一年中等亮度条件下，黑洞衰变的主要实验信号是什么？
• RQ3 稳定黑洞残留物（BHRs）能否通过ALICE TPC中的电离径迹探测到？其质量能否被精确重建？
• RQ4 广义不确定性原理（GUP）的修正如何影响黑洞产生与衰变截面？
• RQ5 BHRs作为通过霍金辐射实现质量-能量转换的能源，其潜力如何？

主要发现

• 黑洞产生导致 p_T > 500 GeV 且不变质量 M > M_f ~ 1 TeV 的反向二喷胶完全抑制。
• 霍金衰变产生多个高能单喷胶，平均能量约100 GeV，总喷胶多重性约为10，形成各向同性、高球形度事件。
• 在 √s = 14 TeV 条件下，黑洞产生的积分截面范围为400 pb至10 nb，具体取决于额外维度数 d = 2–7 及基本尺度 M_f。
• 质量约1 TeV的带电黑洞残留物（BHRs）可通过ALICE TPC中的时间飞行与空间分辨率实现重建，对 M_BH = 1, 2, 3 TeV 的质量重建精度已得到验证。
• 通过GUP引入最小长度尺度可降低黑洞产生截面，并改变黑洞与SM过程在高能区的行为。
• 稳定的BHRs可作为高效能量转换器，10吨物质通过霍金辐射转化，可实现约90%效率，供应全球年能量需求（~10^21 J）。