Охота на квантовые черные дыры

Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) расширили поиск микроскопических черных дыр, которые могли бы рождаться на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе. Исследователи не нашли никаких признаков таких объектов, но сам метод поиска открывает новый способ охоты за неизвестными частицами. Работа опубликована в журнале Progress in High Energy Physics.

Когда речь заходит о черных дырах, обычно вспоминают космических гигантов, способных поглощать целые звезды. Однако физиков интересуют и совсем другие объекты — микроскопические, квантовые черные дыры, которые могли бы возникать при столкновении протонов на коллайдере. Эти крошечные образования жили бы считанные мгновения и сразу распадались на поток обычных частиц, разлетающихся в разные стороны.

Именно такой характерный «сферический» разлет и пытались зафиксировать ученые. Идея о том, что подобные объекты могут рождаться на БАК, появилась пару десятилетий назад. Она опирается на гипотезу о дополнительных измерениях пространства, которые уже фигурируют в теории струн. Если такие измерения существуют, гравитация на сверхмалых расстояниях становится гораздо сильнее, чем мы привыкли думать, и тогда при столкновении частиц с очень высокой энергией пространство-время могло бы «схлопываться» само в себя, образуя квантовую черную дыру.

Стоит пояснить, почему физики вообще ищут черные дыры на коллайдере, ведь обычно эти объекты ассоциируются с гигантскими звездами и космическими катастрофами. Все дело в гипотезе о существовании дополнительных измерений пространства. Если они есть, гравитация может «утекать» в них, и тогда сила тяжести на сверхмалых расстояниях становится гораздо больше, чем предсказывает теория.

В таком случае при столкновении двух протонов с достаточно высокой энергией они могли бы на мгновение сжаться в микроскопическую область, где пространство-время «схлопывается» само в себя, образуя квантовую черную дыру. Такие объекты были бы невероятно нестабильны и мгновенно распадались бы на поток обычных частиц, разлетающихся во все стороны. Именно этот характерный «сферический» разлет и высокую суммарную энергию продуктов распада и пытались зафиксировать ученые.

Ранее поиски подобных событий уже проводились экспериментами ATLAS и CMS, но на относительно небольших объемах данных. Теперь же в распоряжении физиков оказался гораздо более богатый набор информации, собранный детектором CMS в 2016–2018 годах. Это позволило продвинуться в область более высоких энергий. Поскольку квантовые черные дыры событие исключительно редкое, больше данных означает и более высокую вероятность их обнаружить, если они существуют. Ученые применили два подхода. Первый опирается на сферичность: черная дыра распадается, и продукты распада разлетаются во все стороны, что выглядит как очень симметричное событие. Второй подход связан с энергией: физики суммируют энергии всех частиц, родившихся в столкновении, и если сумма достаточно велика, это указывает на область, где мог бы скрываться сигнал.

Но главная новизна работы в другом. Исследователи использовали новый метод, разработанный теоретиком UCSB Натаниэлем Крейгом и его коллегами, так называемое «расстояние в фазовом пространстве». Фазовое пространство это математическая многомерная карта, где учтены все координаты, время, энергия и импульс системы частиц. Каждое событие столкновения превращается в точку на этой карте, а расстояния между событиями конвертируются в единый показатель. Чем выше этот показатель, тем больше вероятность, что перед нами сигнал, а не фон.

Для обработки данных применили метод опорных векторов — инструмент машинного обучения. Важно, что этот метод, в отличие от многих «черных ящиков», остается управляемым: исследователи могут заглянуть в математику, лежащую в основе результатов. Это первое применение подобного подхода в анализе данных по физике частиц, и он, по словам авторов, превзошел традиционный метод сферичности.

Увы, долгожданных следов квантовых черных дыр обнаружить не удалось. Это означает, что в рамках рассмотренных теоретических моделей такие объекты с массами до примерно 12 ТэВ маловероятны, как и дополнительные измерения в определенных конфигурациях.

Например, если теория струн предполагает десять измерений, то эти измерения говорят, что при выбранных параметрах моделей дополнительных измерений не может быть больше двух. Но отсутствие результата не повод для уныния. Как подчеркивают авторы, это реальное научное знание: если бы нечто с такими свойствами существовало, мы бы его увидели, а раз не увидели, можем исключить. Каждый такой поиск сужает карту возможных мест, где может скрываться новая физика, и именно так в свое время был найден бозон Хиггса — через последовательное исключение одной энергетической области за другой.

В той же работе ученые искали и другие экзотические процессы, так называемые сфалеpонные переходы. Это не частицы, а теоретические нестабильные конфигурации полей, которые тоже давали бы довольно сферический энергетический сигнал. Они могли бы объяснить загадку асимметрии материи и антиматерии во Вселенной: почему нас окружает материя, если Большой взрыв должен был создать равные количества того и другого. Эти процессы также не были найдены, что позволило установить ограничения на долю взаимодействий, которые могли бы их порождать. Так что пока тайна иерархии масштабов и природа квантовой гравитации остаются неразгаданными, но каждый новый поиск, даже с нулевым результатом, приближает физиков к пониманию того, как на самом деле устроено пространство-время.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях