БАК не нашёл квантовых чёрных дыр и сузил границы физики за пределами Стандартной модели
Новый поиск на Большом адронном коллайдере не выявил признаков микроскопических квантовых чёрных дыр, что позволило установить более жёсткие ограничения на теории с дополнительными измерениями и квантовой гравитацией.
Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре продвинули поиск микроскопических чёрных дыр на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) на новую территорию.
Эти гипотетические чёрные дыры были бы исключительно малы и недолговечны. Если бы их удалось получить на БАК, их существование помогло бы физикам подступиться к самым глубоким нерешённым вопросам о пространстве-времени и гравитации. Поиск также дал исследователям возможность проверить новый метод обнаружения редких и ранее неизвестных частиц.
«Если бы мы нашли доказательства, то смогли бы приступить к прямому изучению квантовой гравитации, — говорит Тамаш Вами, исследователь эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid), выполняющий постдокторскую работу под руководством профессора физики UCSB Джо Инканделы. — Это шаг к объединению всех известных фундаментальных взаимодействий, к чему физики стремятся больше века».
Признаков квантовых чёрных дыр найти не удалось. Но в физике элементарных частиц отсутствие обнаружения тоже даёт важную информацию: оно исключает целые области, где такие объекты могли бы существовать.
«Это не тупик, — говорит Даньи Чжан, аспирант-исследователь лаборатории Инканделы. — Результат — это предел исключения, вполне публичное утверждение: „Если бы нечто с такими свойствами существовало, мы бы его увидели. Мы не увидели, значит, здесь его можно исключить“. Это реальное знание о том, как устроена Вселенная».
Почему отсутствие чёрных дыр тоже важно
Одна из главных загадок фундаментальной физики связана с колоссальной разницей между масштабами, которые мы наблюдаем, и планковским масштабом — фундаментальной энергетической шкалой, связанной с квантовой гравитацией.
Некоторые физики предполагают, что эту разницу можно объяснить новой физикой или ещё не открытой симметрией. Что важно, часть таких эффектов могла бы проявиться на энергиях, доступных БАК.
Годы экспериментов уже отсекли множество теоретических возможностей, и продолжающееся отсутствие явных признаков новой физики на БАК стало серьёзным вызовом для исследователей. Но похожее случалось и раньше: периоды, когда существующие теории не могли объяснить наблюдения, порой приводили к радикально новым построениям — включая теорию относительности Эйнштейна.
Именно поэтому исследователи называют отрицательные результаты важной частью научного прогресса. Каждый из них сокращает число жизнеспособных вариантов и помогает понять, куда направлять будущие эксперименты.
Результаты Вами и Чжан опубликованы в журнале Progress in High Energy Physics (PHEP).
Может ли БАК создавать крошечные чёрные дыры?
Идея о рождении чёрных дыр на БАК появилась примерно два десятилетия назад. Физики предположили, что если сконцентрировать достаточно энергии в крайне малой области и если существуют дополнительные пространственные измерения (они и так требуются в теории струн), то квантовые чёрные дыры могут возникать в ходе триллионов протон-протонных столкновений на ускорителе.
Такие объекты были бы совершенно не похожи на огромные астрофизические чёрные дыры, разбросанные по Вселенной.
«Они бы не задерживались надолго: если такую создать, она распалась бы мгновенно, — говорит Стивен Гиддингс, физик-теоретик из UCSB, специалист по парадоксальным следствиям объединения квантовой механики и гравитации, один из немногих учёных, кто в своё время допустил, что при определённых условиях подобные крошечные пустоты в пространстве-времени могут существовать».
Когда учёные впервые заговорили о такой возможности, идею широко поняли неправильно. Публика тревожилась, что БАК способен создать стабильные чёрные дыры, хотя квантовые чёрные дыры, о которых говорили физики, исчезали бы почти мгновенно.
«Люди больше думали о классическом поведении чёрных дыр», — сказал Гиддингс, имея в виду те массивные пустоты в пространстве-времени, области экстремальной гравитации, которые способны поглощать целые звёзды, расти и сливаться.
Гипотетические чёрные дыры, рождающиеся на БАК, возникали бы из протон-протонных столкновений в сочетании с эффектами дополнительных пространственных измерений, которые никогда не наблюдались.
Скрытые измерения могли бы усилить гравитацию
Чтобы создать любую чёрную дыру, нужно втиснуть большое количество энергии в крайне малый объём.
«Так что нужно, чтобы сделать чёрную дыру? Нужно сжать энергию в действительно маленький объём», — пояснил Гиддингс.
Этот «действительно маленький объём» мог бы простираться по двум или более гипотетическим пространственным измерениям, слишком малым, чтобы их можно было обнаружить в нашей реальности с 3+1 измерениями.
Такие дополнительные измерения предлагали как один из возможных ответов на проблему иерархии — давний вопрос физики о том, почему гравитация так заметно слабее остальных фундаментальных взаимодействий.
Одна из возможностей состоит в том, что гравитация не является настолько слабой по своей природе. Часть её силы могла бы «утекать» в эти дополнительные измерения. Если бы это было так, планковский масштаб оказался бы гораздо ближе к энергиям, доступным экспериментаторам.
«По сути, гравитационная сила растёт быстрее по мере перехода к меньшим расстояниям», — сказал Гиддингс.
Но одной усиленной гравитации было бы недостаточно. Учёным понадобилось бы ещё сконцентрировать колоссальную энергию в исключительно малом объёме.
Именно здесь становится важен Большой адронный коллайдер.
Столкновение частиц при экстремальных энергиях
БАК разгоняет протоны до огромных энергий, прежде чем столкнуть их друг с другом. Такие столкновения открывают физикам доступ к чрезвычайно малым масштабам расстояний.
«На БАК мы сталкиваем частицы при очень высоких энергиях, что соответствует крошечным масштабам расстояний, — сказал Инкандела. — Как и в микроскопии, более высокие энергии означают меньшие длины волн, что позволяет зондировать меньшие расстояния».
На БАК исследователи зондируют масштабы вплоть до 10⁻²⁰ метра — расстояние, которое относится к атому так же, как атом относится к человеку.
«Дополнительные измерения не обязаны быть настолько малы, — продолжил Инкандела, — а значит, протон-протонные столкновения на БАК могли бы на них реагировать».
Если бы гравитация на таких масштабах становилась достаточно сильной, а энергия концентрировалась в достаточно малой области, пространство-время теоретически могло бы свернуться само в себя и породить квантовую чёрную дыру.
Опасения по поводу безопасности со временем были сняты благодаря подробным отчётам и сравнениям со сверхвысокоэнергичными космическими лучами. Эти естественные частицы миллиарды лет бьют в верхние слои атмосферы Земли и в другие астрономические объекты с огромными энергиями, не вызывая опасных эффектов.
Эти сравнения показали, что столкновения частиц высоких энергий не представляют угрозы чёрных дыр. Любые квантовые чёрные дыры, рождённые в рамках предложенных моделей, испарялись бы практически мгновенно.
Тем не менее их крайне короткое существование могло бы оставить обнаружимые следы в частицах, возникающих при распаде.
Более ранние поиски в экспериментах ATLAS и CMS таких доказательств не нашли, но у тех исследований был доступ к куда меньшим наборам данных.
Теперь, когда данных о столкновениях стало гораздо больше, исследователи смогли искать при более высоких энергиях и повысили шансы увидеть исключительно редкое событие рождения квантовой чёрной дыры — если такие события вообще происходят.
Где квантовая физика встречается с гравитацией
Поиск в конечном счёте связан с одной из крупнейших нерешённых проблем современной физики.
«У нас есть две большие теории, описывающие природу, — сказал Тамаш Вами. — Если хотите описать что-то маленькое, вы обращаетесь к квантовой теории поля. У нас есть Стандартная модель для всех частиц, и на практике она работает исключительно хорошо. А когда переходите к очень, очень большому, у вас есть общая теория относительности, описывающая поведение больших и массивных объектов».
Физики десятилетиями пытаются объединить эти построения в единое описание природы.
Сложность в том, что квантовая физика в основном описывает чрезвычайно малые объекты, а общая теория относительности важнее всего для очень массивных.
«Цель — так или иначе слить обе теории в одну унифицированную, — сказал Вами, — и это действительно трудно, потому что ситуация, когда объект одновременно совсем крошечный и чрезвычайно тяжёлый, встречается редко».
Микроскопические чёрные дыры могли бы дать именно такое сочетание. Они были бы достаточно малы, чтобы квантовые эффекты стали значимыми, и при этом концентрировали бы достаточно массы и энергии, чтобы гравитация имела значение.
Поиск сигнатуры чёрной дыры
Исследователи проанализировали данные детектора CMS, собранные с 2016 по 2018 год, и использовали два подхода в поиске следов квантовых чёрных дыр. Один из них опирался на характеристику под названием сферичность.
«Вы создаёте чёрную дыру, и она сразу распадается. Но у неё очень сферическая сигнатура распада: множество частиц разлетается во все стороны».
Другой подсказкой стало бы необычно большое количество энергии в частицах, рождённых при столкновении.
«Мы знаем, что чёрные дыры очень энергетичны, — сказала Даньи Чжан. — Поэтому мы просто берём энергии этих частиц — продуктов распада того, что возникло при столкновении, — и складываем их. И если сумма достаточно велика, можно сказать, что это та область, где вероятно найти сигнал».
Такие необычные картины событий дали также возможность применить новый аналитический метод под названием «фазовое расстояние», разработанный физиком-теоретиком UCSB Натаниэлем Крейгом и его коллегами.
Метод работает с системой машинного обучения под названием метод опорных векторов, которая помогает исследователям отделять возможные события-сигналы от огромного фона обычных столкновений частиц высоких энергий.
В физике элементарных частиц «фазовое пространство» — это многомерное математическое представление, включающее такие свойства, как пространство, время, энергия и импульс, в описание системы частиц.
Машинное обучение присоединяется к поиску
«Мы разработали идею фазового пространства между событиями, которую можно объединить с методом опорных векторов для помощи в поиске», — сказал Крейг.
Метод превращает расстояния между событиями в единую оценку. События с большими значениями чаще напоминают сигнал, который ищут учёные.
В этом исследовании метод фазового расстояния впервые применили при анализе данных по физике частиц.
«Мы сравнили фазовое расстояние с переменной сферичности, и наш вывод таков: фазовое расстояние превосходит сферичность», — сказала Чжан.
Подход отличается и от некоторых «чёрных ящиков» машинного обучения тем, что он контролируемый. Исследователи могут изучить математику, приведшую к результату, а не просто принять необъяснимый вывод.
Новые ограничения на квантовые чёрные дыры
В итоге поиск не нашёл доказательств рождения квантовых чёрных дыр. Согласно рассмотренным теоретическим моделям, результат означает: квантовые чёрные дыры маловероятны вплоть до примерно 12 ТэВ (тераэлектронвольт). Он также ограничивает некоторые теории с дополнительными пространственными измерениями.
Эти ограничения ценны для науки, поскольку исключают части диапазона, в котором могли бы работать такие теоретические модели. Теория струн, например, предполагает в общей сложности 10 измерений.
«Но эти измерения говорят, что при параметрах рассмотренных теорий больше двух быть не может», — сказал Вами.
«Теории не предсказывают один точный ответ, — добавила Чжан. — Они предсказывают целый диапазон мест, где частица могла бы скрываться. Каждый поиск вычищает часть этого диапазона со словами „здесь её нет“, и со временем карта того, где ещё может быть новая физика, сжимается».
Такой процесс исключения не раз играл важную роль в физике частиц. Бозон Хиггса открыли в 2012 году лишь после десятилетий экспериментов, постепенно исключавших одну энергетическую область за другой.
Отсекая возможности, физики могут улучшать свои теории, разрабатывать новые модели и проектировать более совершенные эксперименты и детекторы.
Загадка слабой гравитации остаётся
Пока проблема иерархии не решена. По оценке Гиддингса, без дополнительных измерений для рождения даже самых маленьких чёрных дыр с массами порядка микрограммов столкновения частиц должны были бы достигать примерно в миллион миллиардов раз большей энергии, чем сейчас даёт БАК.
«Теоретики продолжат генерировать идеи, и, возможно, мы продвинемся в понимании без экспериментальных данных, но это будет трудно, — сказал Гиддингс. — Лучший ориентир — экспериментальные данные, и именно их мы хотели бы иметь», — добавил он о изучении квантовой гравитации, которую называет «самой глубокой проблемой теоретической физики».
Проверяя столкновения при одних из самых высоких доступных энергий, Вами и Чжан смогли подтолкнуть Стандартную модель к её пределам.
Их результаты дают новые ориентиры для будущих поисков квантовых чёрных дыр как возможного решения проблемы иерархии. Не менее важно и то, что работа показывает: метод фазового расстояния можно шире применять для поиска незнакомых частиц, необычных взаимодействий и других редких явлений.
Поиск ещё одного экзотического явления
В том же исследовании учёные искали и сфалерионы. Это не частицы, а теоретические нестабильные конфигурации полей, которые, как и квантовые чёрные дыры, должны были бы давать относительно сферические энергетические картины.
Они могли бы помочь объяснить ещё одну большую загадку: почему Вселенная состоит из материи. Согласно современным представлениям, Большой взрыв должен был породить равные количества материи и антиматерии. Затем эти две формы материи должны были бы аннигилировать, оставив энергию, а не наполненную материей Вселенную, которую мы видим. Это несоответствие известно как проблема барионной асимметрии.
Следов процессов со сфалерионами исследователи тоже не нашли. Это отсутствие позволило установить ограничения на то, сколько взаимодействий частиц может включать сфалерионные переходы.
На подходе более мощный БАК
Будущие эксперименты могут продвинуть поиск существенно дальше.
«Мы будем устанавливать ограничения на то, какие теории могут быть верны», — сказала Чжан, которая ждёт новых данных, которые БАК получит в будущем: сейчас коллайдер остановлен для установки масштабного набора улучшений.
Будущий БАК высокой светимости (HL-LHC) предоставит учёным куда большие наборы данных и больше возможностей обнаружить исключительно редкие события.
Эти эксперименты позволят исследователям «изучать фундаментальные компоненты материи подробнее», в том числе процессы, которые могут раскрыть, как развивалась ранняя Вселенная.
