[论文解读] Virtual Black Holes at Linear Colliders

Yosuke Uehara|ArXiv.org|May 8, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 10

一句话总结

本文提出，未来的直线对撞机可在TeV量级能量下产生虚黑洞，通过其衰变产物实现对量子引力效应的精密测试。尽管受能量限制无法产生真实黑洞，但不确定性原理允许瞬时虚黑洞的形成，其衰变将产生可测量的轻子味违反、轻子/重子数违反信号，以及高精度的顶夸克和W玻色子质量测量——为强子对撞机提供独特互补的数据。

ABSTRACT

We propose that future linear colliders can create virtual black holes even though their energies are below the fundamental scale, because of the uncertainty principle. These virtual black holes provide us much information which cannot be obtained in the production of black holes at the LHC or other hadron colliders. We can observe lepton flavor and lepton (baryon) number violating processes at linear colliders by using virtual black holes. And virtual black holes can be used to the precision measurements of top and W. They can create only one top quark or one W boson, which leads to the clean signal that cannot be obtained in pair-production processes.

研究动机与目标

• 探讨尽管质心系能量较低，未来直线对撞机是否仍可实现虚黑洞的产生。
• 研究虚黑洞衰变是否能揭示标准模型之外的新物理，如轻子味违反及轻子/重子数违反。
• 证明直线对撞机中的虚黑洞可实现顶夸克和W玻色子质量的高精度测量，且组合背景干扰较少。
• 确立虚黑洞可作为当前电弱精密测量的互补工具，尤其在降低质量测量误差方面具有优势。

提出的方法

• 利用不确定性原理，即使真实黑洞产生在动力学上被禁止，仍允许在√s = 1 TeV下瞬时产生虚黑洞。
• 应用基于n = 7个额外维度和MD = 1 TeV的高维引力模型推导出的半经典黑洞截面公式。
• 引入能量-时间不确定性（1/25）和Gibbons-Hawking作用量（exp(−IE)）的抑制因子，估算有效产生截面。
• 计算虚黑洞的衰变特性，如温度（TBH = 0.64 TeV）、平均衰变能量（⟨E⟩ = 1.3 TeV）和平均粒子多重数（⟨N⟩ = 3.9）。
• 对虚黑洞衰变为标准模型粒子（e±μ∓, q¯q, gg, γγ等）进行建模，以识别轻子味违反和轻子/重子数违反的信号。
• 基于100 fb⁻¹的亮度，结合探测器分辨率和统计不确定性，对顶夸克和W玻色子质量测量进行误差分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管能量低于真实黑洞形成阈值，直线对撞机在√s = 1 TeV下是否仍可产生虚黑洞？
• RQ2 虚黑洞衰变的可观测信号是什么，可能揭示轻子味违反或轻子/重子数违反？
• RQ3 虚黑洞衰变在多大程度上可实现顶夸克和W玻色子质量的高精度测量，且背景干扰较少？
• RQ4 与现有实验（如Tevatron）相比，虚黑洞衰变测量的质量不确定性如何？

主要发现

• 虚黑洞产生截面估计为2.1 × 10⁴ fb，由不确定性原理和抑制因子共同支持。
• 虚黑洞温度为0.64 TeV，平均衰变为约4个粒子，单个粒子能量约为250 GeV。
• 预测在100 fb⁻¹下将观测到590起轻子味违反过程，可在无标准模型背景的情况下实现4.1%精度的检验。
• 预测将观测到650起轻子和重子数违反过程，若被观测到，可作为此类新物理的清晰探针。
• 单个顶夸克产生事件数为1300起，结合统计不确定性和量能器误差，可实现总误差为4.5%的顶夸克质量测量。
• 单个W玻色子产生事件数为450起，可实现0.066%精度的W玻色子质量测量，与当前实验标准相当。