Физики ограничили поиск черных дыр в Большом адронном коллайдере
Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) попытались обнаружить признаки образования черных дыр в Большом адронном коллайдере, и, не сумев это сделать, уточнили ограничения диапазона масс таких объектов. Параметры, которые будут применяться в дальнейших изысканиях, обнародованы журналом Progress in High Energy Physics.
«Если бы мы нашли свидетельства, мы могли бы приступить к непосредственному изучению квантовой гравитации. Это шаг к объединению всех известных фундаментальных взаимодействий — цели, к которой физики стремятся уже более века», — говорит участник эксперимента CMS Тамаш Вами, ведущий автор исследования.
Отрицательный результат — это тоже результат, подчеркивает его соавтор Дани Чжан.
«Это не тупик. Результат представляет собой предел исключения — вполне реальное, публикуемое утверждение: „Если бы эта штука существовала с такими свойствами, мы бы ее увидели. Мы не увидели, значит, здесь мы можем ее исключить“. Это подлинное знание о том, как устроена Вселенная», — полагает она.
Обеспокоившие публику сообщения о риске образования черных дыр в БАК появились перед его запуском — разгонявшие шумиху СМИ не дали себе труд донести до аудитории, что в случае возникновения этих микроскопических квантовых объектов они мгновенно испарились бы. «Люди ожидали от них классического поведения черных дыр», — объясняет физик-теоретик из UCSB Стивен Гиддингс, один из первых, допустивших существование этих микропустот в пространстве-времени.
«Как сделать черную дыру? Ну, нужно сжать некоторую энергию в действительно малый объем», — рассуждает Гиддингс.
Дополнительные измерения, в которых все иначе
Этот «действительно малый объем» мог бы находиться внутри двух или более гипотетических дополнительных пространственных измерений, слишком маленьких, чтобы зарегистрировать их в нашей реальности. Этими измерениями можно объяснить множество загадок фундаментальной физики, в том числе относительную слабость гравитации — в них она должна быть гораздо сильнее.
Здесь можно провести аналогию с Большим адронным коллайдером с его невероятными энергиями в микроскопических столкновениях.
«В БАК мы сталкиваем частицы при чрезвычайно высоких энергиях, что соответствует крошечным масштабам расстояний. Как и в микроскопии, более высокие энергии означают меньшие длины волн, что позволяет зондировать меньшие расстояния», — рассказывает профессор Джо Инкандела, в лаборатории которого проводилось исследование.
В БАК они зондируют расстояния вплоть до 10⁻²⁰ метров — меньше атома во столько же раз, во сколько атом меньше человека.
«Дополнительные измерения не обязательно должны быть такими уж маленькими — а значит, протон-протонные столкновения на LHC могли бы испытывать их влияние», — продолжает Инкандела.
Теоретически сочетание чрезвычайно плотной энергии в условиях сильной гравитации может быть достаточным, чтобы пространство-время сложилось само в себя и возникла квантовая черная дыра.
«У нас есть две общепринятые теории, описывающие мироздание — Стандартная модель для частиц и Общая теория относительности для больших и массивных объектов», — напоминает Вами.
Цель — так или иначе объединить эти две теории в единую, унифицированную Теорию всего, «и это действительно трудно сделать, потому что нечасто встречается ситуация, которая была бы одновременно крошечной и чрезвычайно тяжелой».
Черные дыры, в особенности гипотетически возможные в БАК микроскопические, располагаются на пересечении классической и квантовой физики.
Искали двумя разными методами
В своей статье исследователи описывают два метода определения наличия черных дыр по данным, собранным в период с 2016 по 2018 год с помощью детектора CMS.
- Один из них связан со сферичностью, объясняет профессор: «Мы создаем черную дыру, и она немедленно распадается. Но у нее очень сферическая сигнатура распада — множество частиц, разлетающихся во все стороны».
- Другой метод — очень высокая энергия. «Мы знаем, что черные дыры обладают очень высокой энергией. Так что мы, по сути, просто берем энергии этих частиц — осколков от столкновения, и складываем их. И если сумма достаточно велика, мы можем сказать, что это область, где мы, скорее всего, найдем сигнал», — говорит Чжан.
Для анализа результатов столкновений и отсеивания побочных высокоэнергичных событий впервые в физике частиц применили разработанный в UCSB метод «фазово-пространственного расстояния», основанный на машинном обучении. «Фазовое пространство» — это математическая многомерная карта, в которой каждое измерение пространства и времени, а также энергия и импульс системы частиц сведены в единую позицию.
«Мы сравнили фазово-пространственное расстояние с переменной сферичности, и наш вывод таков — фазово-пространственное расстояние превосходит сферичность», — отмечает Чжан.
В ходе поиска характерные признаки рождения квантовых черных дыр обнаружены не были. Это означает, что квантовые черные дыры с энергией вплоть до примерно 12 ТэВ маловероятны — как и дополнительные измерения в том виде, как они описаны в определенных теориях.
Отрицательный результат — тоже результат
«Теории не дают однозначного ответа — они предсказывают целый диапазон поисков. Поэтапно мы проверяем его — и убеждаемся: „тут ничего нет“. Со временем карта, где еще может быть новая физика, сжимается», — добавляет исследовательница.
Таким путем в свое время был открыт бозон Хиггса — десятилетиями проверки одной энергетической области за другой методом исключения.
«Теоретики будут продолжать генерировать идеи, и, может быть, мы добьемся большего в понимании вещей без экспериментальных данных, но это будет трудно. Все-таки лучший ориентир — экспериментальные данные», — убежден Гиддингс.
Для экспериментаторов Вами и Чжан их работа на самых высоких энергиях, которые коллайдер способен развить на сегодняшний день, позволила проверить Стандартную модель на пределе. Теперь задано направление для будущих поисков квантовых черных дыр, а обобщаемый новый метод — инструмент фазово-пространственного расстояния — поможет в обнаружении других экзотических и доселе неизвестных частиц, а также необычных взаимодействий и состояний.
