[论文解读] Physics Beyond the Standard Model: Exotic Leptons and Black Holes at Future Colliders

Christopher M. Harris|ArXiv.org|Feb 1, 2005

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 175被引用 13

一句话总结

本论文研究未来对撞机中奇异轻子与微型黑洞的产生，提出一种飞行时间技术以在大型强子对撞机（LHC）上探测质量高达950 GeV的重带电轻子，并首次实现高维黑洞的灰体因子的数值计算。这些因子被整合进蒙特卡罗事件生成器中，用于模拟黑洞衰变并提取额外维度的数量。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics has been remarkably successful in describing present experimental results. However, it is assumed to be only a low-energy effective theory which will break down at higher energy scales, theoretically motivated to be around 1 TeV. There are a variety of proposed models of new physics beyond the Standard Model, most notably supersymmetric and extra dimension models. New charged and neutral heavy leptons are a feature of a number of theories of new physics, including the `intermediate scale' class of supersymmetric models. Using a time-of-flight technique to detect the charged leptons at the Large Hadron Collider, the discovery range (in the particular scenario studied in the first part of this thesis) is found to extend up to masses of 950 GeV. Extra dimension models, particularly those with large extra dimensions, allow the possible experimental production of black holes. The remainder of the thesis describes some theoretical results and computational tools necessary to model the production and decay of these miniature black holes at future particle colliders. The grey-body factors which describe the Hawking radiation emitted by higher-dimensional black holes are calculated numerically for the first time and then incorporated in a Monte Carlo black hole event generator; this can be used to model black hole production and decay at next-generation colliders. It is hoped that this generator will allow more detailed examination of black hole signatures and help to devise a method for extracting the number of extra dimensions present in nature.

研究动机与目标

• 研究在超对称与中间尺度模型下，大型强子对撞机（LHC）中奇异重轻子的发现潜力。
• 开发一种飞行时间技术，以在高能对撞环境区分重带电轻子与selectrons。
• 模拟大额外维理论中微观黑洞的产生与衰变。
• 首次实现对高维黑洞的灰体因子进行数值计算。
• 构建一个整合这些因子的蒙特卡罗事件生成器，以模拟黑洞信号并提取额外维度的数量。

提出的方法

• 修改HERWIG事件生成器，以包含具有指定质量和耦合常数的奇异重轻子。
• 在HERWIG中实现飞行时间技术，基于其速度差异区分重轻子与selectrons。
• 基于ADD模型，建立大额外维中黑洞产生的理论框架。
• 通过求解高维黑洞背景下的波方程，数值计算规范膜上标量、费米子与矢量场的灰体因子。
• 开发一个蒙特卡罗事件生成器，整合计算所得的灰体因子，以模拟黑洞衰变为标准模型粒子。
• 利用该生成器分析衰变信号，并评估从对撞机数据中提取额外维度数量的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在特定模型下，利用飞行时间技术，LHC对奇异带电轻子的最大发现可达质量是多少？
• RQ2 高维黑洞的灰体因子如何依赖于自旋与额外维度的数量？
• RQ3 基于数值计算的灰体因子构建的蒙特卡罗事件生成器，能否准确模拟未来对撞机中黑洞衰变的信号？
• RQ4 从模拟的黑洞衰变事件中，能多大程度上提取出额外维度的数量？
• RQ5 在大额外维模型中，黑洞的产生与衰变速率与四维引力相比有何不同？

主要发现

• 飞行时间技术使在所研究的具体模型中，LHC能够探测到质量高达950 GeV的奇异带电轻子。
• 首次成功实现了对高维黑洞中自旋-0、自旋-1/2与自旋-1场的灰体因子的数值计算。
• 高维黑洞的灰体因子与四维情况显著不同，尤其在高自旋情况下更为明显。
• 整合计算所得灰体因子的蒙特卡罗事件生成器，能够详细模拟黑洞衰变为标准模型粒子的过程。
• 该生成器为分析黑洞信号并从对撞机数据中提取额外维度数量提供了有效工具。
• 研究表明，大额外维模型中的黑洞产生与衰变在下一代对撞机中是可行且可测量的。