[论文解读] Suppression of High-P_T Jets as a Signal for Large Extra Dimensions and New Estimates of Lifetimes for Meta stable Micro Black Holes -From the Early Universe to Future Colliders

Stefan G. Hofmann, Marcus Bleicher+4 more|ArXiv.org|Nov 6, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用 10

一句话总结

本文提出，在LHC的质子-质子碰撞中，高横动量喷注的抑制可作为大额外维度（LEDs）的显著信号，其根源在于黑洞的产生。利用微正则热力学，该研究估算出当 d > 5 时，黑洞寿命约为 100 fm/c，表明由于霍金辐射被抑制，黑洞会形成准稳定残余物，这挑战了先前的低估估计，并暗示存在超越标准喷注+缺失能量信号的可探测信号。

ABSTRACT

We address the production of black holes at LHC in space times with compactified space-like large extra dimensions (LXD). Final state black hole production leads to suppression of high-P_T jets, i.e. a sharp cut-off in the cross section for pp->jet+X. This signal is compared to the jet plus missing energy signature due to graviton production in the final state as proposed by the ATLAS collaboration. Time evolution and lifetimes of the newly created black holes are calculated based on the microcanonical formalism. It is demonstrated that previous lifetime estimates of micro black holes have been dramatically underestimated. The creation of a large number of quasi-stable black holes is predicted with life times beyond hundred fm/c at LHC. Medium modifications of the black holes evaporation rate due to the quark gluon plasma in relativistic heavy ion collisions as well as provided by the cosmic fluid in the early universe are studied.

研究动机与目标

• 将高P_T喷注抑制识别为LHC碰撞中大额外维度的独特信号。
• 利用微正则系综重新评估准稳定微黑洞的寿命，纠正先前的低估。
• 研究夸克-胶子等离子体和早期宇宙中黑洞蒸发速率的介质修正效应。
• 将喷注抑制信号与ATLAS实验中引力子产生的喷注+缺失能量信号进行比较。
• 探讨准稳定黑洞残余物对量子引力现象学的启示。

提出的方法

• 通过几何截面 σ ≈ πR_H² 建模大额外维度中的黑洞产生，其中 R_H 由 D=4+d 维的史瓦西解导出。
• 应用微正则系综计算黑洞衰变速率，利用温度依赖关系 T_H ∝ M^{-(1+d)^{-1}}。
• 使用衰变速率方程 dM/dt = -Γ 推导黑洞质量的时间演化，其中 Γ 由 d 个额外维度中的霍金辐射导出。
• 通过建模介质对能量的吸收，引入介质效应，其中 ρ ∝ (M/M_f)^{2/(1+d)} (m_P/M_f)^2 H^2 表示宇宙学和QGP环境下的能量密度。
• 使用 CTEQ4 部子分布函数计算 √s = 14 TeV 条件下 pp 碰撞中黑洞的费曼 x 分布。
• 求解膜世界情景下的修正弗里德曼方程，以模拟早期宇宙中黑洞从宇宙流体中获得能量的过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC的pp碰撞中，高P_T喷注抑制能否作为大额外维度的显著信号？
• RQ2 与先前的正则模型相比，微正则热力学和有限尺寸效应如何改变对微黑洞寿命的估计？
• RQ3 周围介质（如夸克-胶子等离子体或早期宇宙的宇宙流体）对黑洞蒸发速率有何影响？
• RQ4 在何种条件下，黑洞蒸发会因从介质中获得能量而停止？
• RQ5 黑洞残余物是否可能在低于基本尺度 M_f 的质量下形成，其可探测性如何？

主要发现

• 喷注抑制信号在横动量函数上的截面（pp → jet + X）表现出明显的截止特征，与规范玻色子交换引起的平滑抑制形成鲜明对比。
• 当 d > 5 时，微黑洞寿命估计约为 100 fm/c，远长于先前估计，这是由于高维中霍金辐射被抑制所致。
• 对于初始质量 M ≈ 10 M_f 且 M_f = 1 TeV 的情况，当介质能量密度达到约 QGP 密度的 10^9 倍时，夸克-胶子等离子体中的蒸发速率趋于零，暗示可能实现稳定化。
• 在早期宇宙中，当 M(t)/M_f ≈ 10 g_*(t)^{-1} (M_f/GeV)^{1+d} (GeV/T(t))^{2+2d} 时，黑洞蒸发会停止，前提是 T > 1 TeV，其原因是从宇宙流体中获得能量。
• 该模型表明，若统计力学在 M_f 以下仍成立，则质量约为 TeV 量级的黑洞可能留下准稳定残余物，这挑战了完全蒸发的假设。
• 对于 M < 10 TeV 的情况，产生的黑洞动量分布在价夸克通道中达到峰值，而重夸克的贡献可忽略不计。