Физики, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, расширили поиски микроскопических черных дыр. Эти гипотетические объекты могли бы стать уникальным инструментом для изучения квантовой гравитации. Исследование провела группа ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UC Santa Barbara) в рамках эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid).
Квантовые черные дыры представляют собой объекты, в которых объединяются две плохо совместимые области физики: квантовая механика и гравитация. Если такая черная дыра возникла бы при столкновении протонов, она мгновенно распалась бы. Однако даже это краткое существование могло бы дать подсказки о том, как гравитация работает на квантовом уровне. Как пояснил исследователь Тамаш Вами, работающий в лаборатории профессора физики Джо Инканделы, объединение двух главных теорий — квантовой теории поля и общей теории относительности — требует понимания ситуаций, где обе они важны, а это очень сложно, поскольку объекты, которые одновременно крошечные и чрезвычайно тяжелые, встречаются редко.
Новый анализ, опубликованный в журнале Progress in High Energy Physics, использовал данные детектора CMS, собранные с 2016 по 2018 год. Результаты ограничивают рождение квантовых черных дыр при энергиях до примерно 12 ТэВ (тераэлектронвольт) в рамках проверенных теоретических моделей. Предыдущие поиски на CMS и ATLAS не находили свидетельств существования микроскопических черных дыр на меньших наборах данных. Благодаря большему числу столкновений исследователи смогли изучить области более высоких энергий и повысить шансы обнаружить крайне редкое событие, если такие черные дыры вообще могут образовываться.
Для распознавания распада черной дыры среди событий, порожденных уже известной физикой, ученые применили несколько методов. Они суммировали энергии частиц — продуктов распада — и, если сумма оказывалась достаточно большой, относили событие к потенциальной области сигнала. Вторым признаком служила сферичность: черная дыра распадается с очень сферической сигнатурой, когда множество частиц разлетается во все стороны. Кроме того, команда использовала метод, разработанный теоретиком Натаниэлем Крейгом, — расстояние в фазовом пространстве, многомерной математической карте, где система частиц представляется точкой с информацией о пространстве, времени, энергии и импульсе. Сравнение расстояний между событиями на этой карте помогает отличить структуру возможного сигнала от фона.
Этот подход объединили с методом опорных векторов (SVM, Support Vector Machine) — инструментом машинного обучения. Он преобразует сравнения между событиями в оценку SVM: чем выше оценка, тем больше событие похоже на искомый сигнал. Это было первое применение расстояния в фазовом пространстве для анализа данных физики частиц. Как отметила аспирантка Даньи Чжан, сравнение показало, что расстояние в фазовом пространстве превосходит переменную сферичности. Метод использует обучение с учителем, и исследователи могут проверить математику, лежащую в основе результатов, что делает его более прозрачным, чем инструменты типа «черного ящика».
Возможность рождения микроскопических черных дыр на коллайдере зависит от поведения гравитации на расстояниях, гораздо меньших воспринимаемых нами. Около двух десятилетий назад теоретики предположили, что БАК может достичь нужных условий, если у пространства есть дополнительные измерения. В некоторых теориях два или более дополнительных пространственных измерений меняют поведение гравитации на очень коротких дистанциях. Эти измерения слишком малы, чтобы регистрироваться в привычном мире трех пространственных измерений и одного временного. Дополнительные измерения также фигурируют в теории струн и предлагаются как объяснение иерархической проблемы — вопроса о том, почему гравитация настолько слабее других фундаментальных сил. Если гравитация «утекает» в невидимые измерения, ее истинная сила может быть гораздо выше, а соответствующий планковский масштаб — ближе к доступным энергиям. БАК позволяет изучать такие короткие расстояния, концентрируя энергию в столкновениях протонов. Ускоритель зондирует дистанции вплоть до 10⁻²⁰ метров — примерно так же, как атом относится к человеку. Если бы гравитация на этих расстояниях становилась достаточно сильной, сконцентрированная энергия столкновения теоретически могла бы заставить пространство-время свернуться, создав квантовую черную дыру.
Полученные результаты также ограничивают дополнительные измерения в рамках проверенных моделей и параметров. Как отметил Вами, теория струн предполагает десять измерений, но измерения говорят, что при рассмотренных параметрах их не может быть больше двух. Чжан подчеркнула, что это не тупик: результат представляет собой предел исключения — реальное, публикуемое утверждение о том, что если бы такая вещь существовала с такими свойствами, ее бы увидели, а раз не увидели, то можно исключить. Это подлинное знание о том, как устроена Вселенная. Она сравнила процесс с поисками бозона Хиггса, открытого в 2012 году после десятилетий поисков, постепенно исключавших возможные энергетические области. Без дополнительных измерений рождение микроскопической черной дыры останется далеко за пределами возможностей БАК: по оценке Гиддингса, для создания наименьших черных дыр массой порядка микрограмма потребовались бы столкновения с энергией в миллион миллиардов раз больше нынешней.