MINI BLACK HOLES BEIM LHC?

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1 MINI BLACK HOLES BEIM LHC? Kleine Erweiterung zum Vortrag von Martin Brodeck über Extra Dimensions Thomas Kreß III. Physik. Institut B Seminar Aachen 21. Juni 2005 Inspiriert durch Greg Landsberg (GL), Brown University, USA Extraktion aus diversen seiner Vorträge

2 Schwarze Löcher L & Allgemeine Relativitätstheorie tstheorie Schwarze Löcher direkte Vorhersage aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie Interessanterweise glaubte Einstein selbst nie daran... Schwarzschild zeigt 1916, dass die Raum-Zeit-Metrik eine Singularität hat bei: r r = R S 2MG N /c 2 Wenn die Masse innerhalb des Schwarzschildradius eingeschlossen ist, wird ein Schwarzes Loch (Terminus Wheeler ~1967) mit Ereignishorizont bei R S erzeugt Nach der naiven Erwartung kann ein B.H. nur wachsen, wenn es formiert ist 1975 zeigt Hawking, dass das nicht korrekt ist: B.H. kann verdampfen während Emission von virtuellen Teilchenpaaren am Ereignishorizont durch das Entkommen eines der beiden Teilchen Schwarzkörper-Strahler: Wenn T H hoch genug, auch Erzeugung massiver Teilchen T H hc = 4 πkr S R S T H = (4π) 1

3 Astronomische Schwarze LöcherL Obwohl wenig Zweifel herrscht, dass es astronomische B.H. gibt und es einige schlagende indirekte Hinweise (Quasare, Doppelsterne, Gravitationsablenkungen,...) gibt, fehlt eine Smoking Gun, z.b. die Beobachtung von (Gravitationswellen oder) Hawking Strahlung T H ~ 100 nk, λ ~ 100 km, P ~ W: ~10 14 Jahre für ein einziges γ auf der Erde Diesen Rauch sieht man nicht! Verdampfung statt Massenvergrößerung nur bei sehr kleinen Löchern merklich

4 Schwarze Löcher L am Beschleuniger NYT, Nov. 01

5 Vorhersagen, Annahmen, NäherungenN Fundamentale Limitierung: bisher keine gesicherte Theorie der Quantengravitation Deshalb nur semiklassischer Zugang und Vernachlässigung von Effekten wie Spin, relativistische Effekte, Zeitablauf, Strings,... Annahme: semiklassisch M BH > M P nicht vollkommen anders als M BH >> M P Große Überraschung: am LHC ist B.H.-Erzeugung kein exotischer, sondern ein dominanter Prozess; wenn die C.M.-Energie die fundamentale (durch Ext.Dim. reduzierte) Planck-Skala erreicht, wird ein B.H. erzeugt mit Wirkungsquerschnitt aus black disk approximation: [Dimopoulos, GL, PRL 87, (2001)] σ ~ πr S 2 ~ 1 TeV 2 ~ m 2 ~ 100 pb ~ 1 Hz parton R S M 2 = s^ parton σ tot = 0.5 nb (M P = 2 TeV, n=7) σ tot = 120 fb (M P = 6 TeV, n=3) LHC n=4 Tiefergehende Betrachtungen zeigen keine merkliche Dämpfung des geometrischen Querschnittes

6 Zerfall des Schwarzen Lochs; # Extra Dims. Hawking-Temperatur R S T H = (n+1)/4π Punktstahler in s-wave demokratisch in alle Teilchen in der Brane und im Bulk; da viel mehr Teilchenarten in Brane, Zerfall in Gravitonen unterdrückt: q/g, γ, l ±, ν ~75%, 5%, 10%, 5% auch reichlich Higgs, SUSY, wenn leicht O(1oo GeV) M N 2 T BH H [Dimopoulos, GL, PRL 87, (2001)] Note that the formula for N is strictly valid only for N» 1 due to the kinematic cutoff E < M BH /2; If taken into account, it increases multiplicity at low N [Dimopoulos, GL, PRL 87, (2001)]

7 Event-Topologie im Detektor 5 TeV e + e - machine (CLIC), De Roeck,Battaglia Black Holes-Signaturen sind nahezu Untergrundfrei Kaum fehlende Energie Saubere Trigger Simulated black hole event in the ATLAS detector [courtesy Laurent Vacavant]

8 Abschließend end... Black Hole-Produktion an zukünftigen Beschleunigern (oder kosmischen Experimenten wie AUGER, IceCube) wäre die erste Signatur für Quantengravitation an einer TeV-Skala & Extra Dims. und die Sensation Am LHC großer Erzeugungsquerschnitt, einfacher Nachweis der Hawking- Strahlung; ideales Labor, um String-Theory & Quantum Gravity zu studieren Science oder Science Fiction? Nicht jeder / wenige aus der Community glauben an Low Scale Gravity Nur noch wenige sind immer noch beunruhigt, obwohl Überlegungen aus weil es den Mond, die Erde, uns,.. noch gibt auszuschließen scheinen, dass ein solches B.H. weitere Masse anzieht und letztendlich die Erde zerstört In Aachen arbeiten (die Theor. Physik und) drei Institute bei dem LHC- Detektor CMS und anderen Experimenten an solchen und/oder ähnlich spannenden Fragestellungen und bieten interessante Diplomarbeiten an!

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