Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at = 13 TeV with the ATLAS detector
ATLAS検出器によって収集された = 13 TeVでの陽子陽子衝突データ140 fbを用いた本研究では、レプトン+ジェット最終状態における量子ブラックホールの証拠は見出されず、下限質量閾値の限界として、Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvaliモデルで8.8 TeV、Randall-Sundrumモデルで6.3 TeVが設定された。
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。 免責事項の全文を読む
私たちが理解している宇宙は、標準模型として知られる粒子と力の枠組みの上に築かれています。この理論は物質がどのように振る舞い、相互作用するかを説明することに成功していますが、ある深い謎を未解決のまま残しています。それは、なぜ重力が他の基本相互作用に比べてこれほどまでに信じられないほど弱いのかという点です。磁石が地球全体の重力に抗ってペーパークリップを持ち上げることができる一方で、重力は驚くべき差をもって、自然界の力の中で最も弱いままです。この不均衡を解消するために、一部の物理学者は、重力が私たちが経験する3つの空間次元に閉じ込められていない可能性を提唱しています。その代わりに、重力は目に見えないほど小さな隠れた余剰次元へと漏れ出している可能性があるのです。もしこれらの余剰次元が存在するならば、重力が強くなるために必要なエネルギーのスケールを下げ、重力が私たちが検出可能な形で現れることを可能にするかもしれません。
このシナリオにおいて、もし2つの粒子が十分なエネルギーを持って衝突すれば、それらは単に互いに跳ね返るだけでなく、量子ブラックホールと呼ばれる微小で一瞬の物体を一時的に形成する可能性があります。銀河の中心にあるような、周囲のあらゆるものを飲み込むほど重い巨大なブラックホールとは異なり、これらの量子的バージョンは微視的であり、瞬時に消滅するでしょう。それらは直ちに他の粒子の噴出へと崩壊します。問題は、これらの儚い瞬間が消えてしまう前に、その姿を捉えることができるかどうかです。もしこれらを見つけることができれば、それは余剰次元が存在すること、そして重力が私たちの日常の世界におけるスケールよりも極小のスケールにおいて異なる振る舞いをしていることの直接的な証拠となるでしょう。
ジュネーブ近郊の地下に埋設された巨大な粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）において、科学者たちは初期の宇宙の極限状態を再現するために、陽子を光速に近い速度で衝突させています。大聖堂ほどの大きさを持つATLAS検出器は、これらの衝突から生じる破片を記録します。最近の研究において、ATLASコラボレーションは、これらの量子ブラックホールの特定のシグネチャーを探すために、140フェムトバーンの積分ルミノシティに相当するデータを使用しました。彼らは非常に特殊なイベント、すなわち、高エネルギーの電子またはミューオン（電子の重い親戚）が、粒子のジェットと対になって生成される衝突を探していました。研究者たちがテストしていたモデルでは、量子ブラックホールが形成され、その後、正確にこの組み合わせ、つまり一つのレプトンと一つのクォーク（後者はジェットとして現れる）へと崩壊すると想定されていました。
チームは、電子・ジェットおよびミューオン・ジェットの全エネルギー、すなわち不変質量に焦点を当ててデータを分析しました。もし量子ブラックホールが生成されていたならば、それは特定の高質量においてイベント数の突然のスパイク（急増）として現れ、通常の粒子相互作用の滑らかで予測可能な背景から明確に際立っていたはずです。研究者たちは、質量が2.0 TeVを超える領域でこれらのスパイクを探しました。この閾値は、既知のプロセスではなく新しい物理学を見ていることを確実にするために十分に高いものです。彼らは、エネルギーの測定方法から、複数の衝突が同時に起こることによる微妙な影響に至るまで、あらゆる可能な誤差や背景ノイズを考慮しながら、細心の注意を払ってデータを検討しました。
結果は、既知の宇宙を示す明確かつ一貫した図でした。データの分布は、期待される不確かさの範囲内で標準模型の予測と一致していました。予想外のスパイクや、量子ブラックホールの形成に起因すると考えられる突然のイベントの急増は見られませんでした。観測されたデータは、通常の粒子のみが相互作用している場合に科学者たちが予想する通りの姿でした。この信号の不在は、それ自体が重要な発見です。これにより、研究者はこれらの量子ブラックホールが理論上どの程度の重さになり得るかについて、厳格な制限を設けることができます。彼らは、もしこれらの物体が存在するならば、6つの余剰次元を持つモデルでは8.8 TeVよりも重く、1つの余剰次元を持つモデルでは6.3 TeVよりも重くなければならないと判断しました。
これらの新しい制限は、以前の探索と比較して実質的な改善を表しています。可能な検出範囲の境界を押し広げることで、この研究は、以前にアクセス可能であった低質量範囲における量子ブラックホールの存在を事実上排除しました。これは、もし自然界がこれらの余剰次元とそれに伴う量子ブラックホールを隠しているのだとしても、それらは現在までに到達できたエネルギーよりもさらに高いエネルギーに隠れていることを示唆しています。探索は続きますが、今のところ、宇宙はATLAS検出器によって探索されたエネルギー範囲における、これらの特定の量子オブジェクトの存在については沈黙を守っています。標準模型は揺るぎなく立ち続けており、その基礎にある亀裂を見つけ出すための探求は、さらに高いエネルギーへと移行しなければなりません。
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