⚛️ high-energy experiments

Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

利用 ATLAS 探测器在 $\sqrt{s}$ = 13 TeV 下收集的 140 fb $^{-1}$ 质子-质子碰撞数据，本研究在轻子+喷注末态中未发现量子黑洞的证据，从而在 Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali 模型中设定了 8.8 TeV 的质量下限阈值，并在 Randall-Sundrum 模型中设定了 6.3 TeV 的质量下限阈值。

原作者： ATLAS Collaboration

发布于 2026-08-25

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CC BY 4.0

原作者： ATLAS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

我们所理解的宇宙建立在粒子和力的基础之上，这一框架被称为标准模型。该理论成功解释了物质如何运作及相互作用，却留下了一个深刻的未解之谜：为什么引力比其他基本力弱得多？虽然一块磁铁可以对抗整个地球的引力将回形针吸起，但引力仍然是自然界中最弱的力量，其差距之大令人震惊。为了解决这种不平衡，一些物理学家提出，引力可能并不局限于我们所经历的三维空间。相反，它可能会泄漏到那些由于太小而无法被我们看见的隐藏额外维度中。如果这些额外维度确实存在，它们将降低引力变得强大的所需能量标度，从而可能让引力以我们可以探测到的方式显现出来。

在这种情景下，如果两个粒子以足够的能量发生碰撞，它们可能不仅仅是相互弹开；它们可能会瞬间形成一种被称为量子黑洞的微小、转瞬即逝的物体。不同于那些位于星系中心、如此沉重以至于会吞噬周围一切事物的巨大黑洞，这些量子版本的黑洞将是微观的，并且会几乎瞬间消失。它们会立即衰变为一簇其他粒子的喷流。问题在于，我们能否在这些转瞬即逝的时刻消失之前捕捉到它们的踪迹。如果我们能找到它们，这将是额外维度存在的直接证据，也证明了引力在最小尺度上的行为与我们在日常世界中所见的不同。

在位于日内瓦附近地下的大型强子对撞机中，一台巨大的粒子加速器，科学家们通过让质子以接近光速的速度相互碰撞，来模拟早期宇宙的极端条件。ATLAS探测器是一台规模如大教堂般的巨型机器，负责记录这些碰撞产生的碎片。在最近的一项研究中，ATLAS协作组利用对应于140反常费米（inverse femtobarns）积分亮度的数据，搜寻这些量子黑洞的特定特征信号。他们正在寻找一种非常特殊的事件：一次产生单个高能电子或缪子（电子的重型近亲）并伴随一个粒子喷注（jet）的碰撞。在研究人员测试的模型中，一个量子黑洞会形成，然后精确地衰变为这种组合：一个轻子和一个夸克，后者表现为一个喷注。

团队在分析数据时，重点关注了这些“电子-喷注”和“缪子-喷注”对的总能量，即不变质量。如果产生了一个量子黑洞，它会在特定的高质量处表现为事件数量的突然激增，从而在普通粒子相互作用平滑且可预测的背景中脱颖而出。研究人员在质量大于2.0 TeV的区域寻找这些激增，这个阈值足够高，以确保他们观察的是新物理现象而非已知过程。他们极其细致地检查了数据，考虑了每一个可能的误差来源和背景噪声，从探测器测量能量的方式到多次碰撞同时发生的微妙效应。

结果呈现出一个清晰且一致的已知宇宙图景。数据点的分布在预期的不确定性范围内与标准模型的预测相符。没有出现意料之外的激增，也没有可以归因于量子黑洞形成的事件突然涌现。观测到的数据看起来完全符合科学家预期的仅有普通粒子进行相互作用的情况。这种信号的缺失本身就是一项重要的发现。它允许研究人员对这些量子黑洞可能有多重设定严格的限制。他们确定，如果在具有六个额外维度的模型中，这些物体必须重于8.8 TeV；而在具有一个额外维度的模型中，则必须重于6.3 TeV。

这些新的限制代表了对以往搜索的一次实质性提升。通过推向可探测性的边界，这项研究有效地排除了在先前可及的较低质量范围内存在量子黑洞的可能性。它告诉我们，如果自然界确实隐藏了这些额外的维度及其相关的量子黑洞，那么它们隐藏在比我们目前所能达到的能量还要高的水平上。搜索仍在继续，但目前为止，宇宙在ATLAS探测器所探索的能量范围内，对于这些特定量子对象的存在保持沉默。标准模型依然稳固，寻找其基础裂痕的任务必须向更高的能量迈进。

技术摘要：在 $\sqrt{s}=13$ TeV 下寻找轻子+喷注末态中的量子黑洞产生

问题与动机
本文研究了对量子黑洞（QBH）的搜寻，这类黑洞是低能标量子引力模型的预测，这些模型旨在解决标准模型（SM）的质量层级问题。这些模型将量子引力标度（ $M_D$ ）从普朗克标度（ $\sim 10^{16}$ TeV）降低到 TeV 能区（1–10 TeV）。本分析侧重于两种特定的理论框架：阿卡尼-哈梅迪-迪莫波洛斯-德拉瓦利（ADD）模型，该模型假设存在大的额外维度（在本分析中 $n=6$ ）；以及兰德-鲁宾（RS1）模型，涉及单个扭曲的额外维度（ $n=1$ ）。

不同于通过霍金辐射衰变为多粒子末态的半经典黑洞，QBH 被假定为衰变为两个粒子末态（具体为一个轻子和一个夸克），同时保持总角动量、颜色和电荷守恒，尽管可能会违反重子数或轻子数等全局对称性。本研究针对轻子+喷注（ $e$ +jet 和 $\mu$ +jet）的不变质量谱，以识别此类共振态。

方法论
本分析利用了由大型强子对撞机（LHC）ATLAS 探测器在 $\sqrt{s}=13$ TeV 的 2015–2018 年运行期间收集的 140 fb $^{-1}$ 质子-质子碰撞数据。

事件选择： 候选事件要求包含一个领先轻子（电子或缪子）和一个领先喷注，两者的横动量（ $p_T$ ）均大于 130 GeV。轻子+喷注对的不变质量（ $m_{inv}$ ）必须超过 2.0 TeV。通过否决次领先轻子（ $p_T > 10$ GeV）和次领先喷注（ $p_T < 130$ GeV）来抑制标准模型背景。
背景估计： 主要背景是 $W$ $W$ +jets，其次是 $Z$ $Z$ +jets、顶夸克对（ $t\bar{t}$ $t \overset{ˉ}{t}$ ）、单顶夸克和双玻色子过程的贡献。
- $W$ +jets、 $Z$ +jets 和 $t\bar{t}$ 的归一化通过与信号区（SR）正交的专用控制区（CR）进行约束，并在验证区（VR）中进行验证。
- 电子通道中的多喷注背景使用数据驱动的矩阵法（Matrix Method）进行估计。
- 在缪子通道中，伪造/非瞬发轻子背景可以忽略不计（小于总背景的 0.5%）。
信号模拟： QBH 信号样本使用 QBH 3.0 生成器生成，并与 Pythia 8 接口进行部分子淋洗和强子化。模拟假设质量无质量的部分子相互作用，并保持总角动量守恒。阈值质量（ $M_{th}$ ）设定等于 $M_D$ 。
统计分析： 使用 HistFitter 框架进行剖面似然拟合（profile likelihood fit）。分析采用了模型无关拟合（测试任何非标准模型信号）和模型相关拟合（专门针对 ADD 和 RS1 情景）。系统不确定性（包括喷注能量标度/分辨率、轻子识别和模拟不确定性）被视为干扰参数（nuisance parameters）。应用了一个修正因子（ $R_c \approx 0.37$ ），以补偿高阶 QCD 辐射效应，否则由于对次领先喷注的否决，会扭曲信号接受度。

主要贡献与结果
观测到的轻子+喷注对的不变质量谱在整个范围内与标准模型预期一致，在电子+喷注或缪子+喷注通道中均未观察到显著过剩。

上限： 对 QBH 衰变为轻子和夸克的产生截面乘以分支比（ $\sigma \times \mathcal{B}r$ ）设定了 95% 置信水平（C.L.）上限。
质量阈值限制：
- 在 ADD 模型（ $n=6$ ）中，确立的下限质量阈值为 8.8 TeV。
- 在 RS1 模型（ $n=1$ ）中，确立的下限质量阈值为 6.3 TeV。
模型无关限制： 对于 $m_{inv} > 5$ TeV 的非标准模型信号，合并通道的 $\sigma \times \mathcal{B}r$ 上限为 0.052 fb。

重要性
本文声称这些结果代表了对以往搜寻的显著改进。具体而言：

对 ADD 模型中 QBH 阈值质量的限制比之前 ATLAS 在 8 TeV 取得的结果高出 3.5 TeV。
所得限制相对于之前的模型无关 $\sigma \times \mathcal{B}r$ 上限提高了 3.5 倍。
这是首次在轻子+喷注衰变模式下确定 RS1 模型 QBH 阈值质量的限制。

本分析表明，轻子+喷注通道虽然通常对二喷注（dijet）搜寻的敏感度较低，但提供了具有不同量子数的 QBH 产生的互补约束，并且可以有效地约束违反重子-轻子全局对称性的模型。结果对所测试质量范围内的低能标量子引力情景施加了严格的限制。

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