[论文解读] Production of Spinning Black Holes at colliders

Seong Chan Park, H. Song|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2001

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 15被引用 14

一句话总结

本文重新评估了在大额外维模型下未来对撞机中黑洞产生的情况，表明尽管由于角动量的存在，旋转黑洞的产生受到抑制，但旋转与非旋转黑洞的总截面相比仅考虑非旋转黑洞的情况，仍增强了2至3倍。这种增强源于对所有自旋态的求和，从而提高了高能实验中探测黑洞的可能性。

ABSTRACT

When the Planck scale is as low as TeV scale, there will be chances to produce Black holes (BH's) at future colliders. Generally, BH's produced via pariticle collisions could have non-zero angular momentum. We estimate the production cross section of spinning and non-spinning BH's for future colliders. Although the production cross section for the rotating BH is much suppressed by angular momentum dependent factor, the total cross section could be $\sim 2 -3$ times enhanced for the case of $δ=4-6$.

研究动机与目标

• 在大额外维场景下，重新估算未来对撞机中旋转与非旋转黑洞的产生截面。
• 通过半经典的论证，评估角动量对黑洞形成概率的影响。
• 量化在非旋转黑洞模型的基础上，引入旋转黑洞后对总可探测截面的影响。
• 探讨黑洞通过霍金辐射衰变的后果及其潜在实验信号。

提出的方法

• 使用半经典论证，模拟当质心能量被压缩至小于黑洞史瓦西半径的区域时的黑洞形成过程。
• 在 D = 4 + δ 维空间中应用旋转黑洞解，其半径依赖于质量与无量纲自旋参数 a。
• 通过几何近似推导自旋依赖的截面：σ ∝ R_BH²，其中旋转黑洞的 R_BH 因子 (1 + a²)⁻¹/(δ+1) 而减小。
• 对所有可能的自旋态（从 a = 0 到 a = (δ+2)/2）求和，以计算部分子层次的总产生截面。
• 与部分子分布函数进行卷积，获得 pp → BH + X 过程中总截面。
• 考虑霍金辐射的衰变阶段及其温度依赖性，表明旋转黑洞的温度略高于相同质量的非旋转黑洞。

实验结果

研究问题

• RQ1 角动量如何影响对撞机中黑洞产生几何截面？
• RQ2 当同时包含旋转与非旋转黑洞时，总产生截面是多少？
• RQ3 与仅考虑非旋转黑洞的情况相比，总黑洞产生截面增强了多少？
• RQ4 相同质量下，旋转黑洞的霍金温度与非旋转黑洞相比如何？
• RQ5 黑洞自旋对对撞机实验（如LHC）中探测性有何影响？

主要发现

• 由于旋转黑洞的史瓦西半径减小，其产生截面相比非旋转黑洞被抑制了 (1 + a²)⁻²/(δ+1) 倍。
• 尽管存在此抑制效应，但通过所有允许自旋态的求和，总截面仍增强了约2倍（δ = 4时）和3倍（δ = 6时）。
• 这种增强源于对所有允许自旋态的求和，从而提高了黑洞产生的总体概率。
• 由于半径更小且曲率更强，旋转黑洞的霍金温度高于相同质量的非旋转黑洞。
• 总截面的增强表明，在包含自旋的情况下，未来对撞机实验中观测到黑洞的可能性显著提高。
• 本研究假设半经典理论有效，并忽略了普朗克尺度附近的弦修正，为未来进一步完善留出空间。