Физики расширили поиск микроскопических чёрных дыр в данных коллайдера
Физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) в рамках эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) опубликовали новые результаты поиска так называемых квантовых чёрных дыр. Следов этих гипотетических объектов обнаружено не было — но сам поиск уточнил ограничения на исследованные модели и продемонстрировал новый метод выявления экзотических частиц в данных коллайдера. Работа опубликована в журнале Progress in High Energy Physics.
Что такое квантовые чёрные дыры и зачем их искать
Чёрные дыры в астрофизическом понимании — гравитационные монстры, образующиеся при коллапсе звёзд. Квантовые чёрные дыры — принципиально иная концепция. Согласно ряду теорий, выходящих за рамки Стандартной модели физики частиц, при столкновениях частиц на предельно высоких энергиях могут возникать мельчайшие, мгновенно испаряющиеся объекты, в которых квантовые эффекты гравитации играют определяющую роль. Важно: такие объекты распадаются немедленно, не причиняя никаких макроскопических последствий.
Зачем их искать? Потому что их обнаружение стало бы прямым свидетельством существования дополнительных измерений пространства. Ряд теорий квантовой гравитации предсказывает: если в природе существуют скрытые дополнительные измерения, то гравитация кажется «слабой» лишь потому, что «утекает» в эти невидимые нам измерения. При достаточно высоких энергиях гравитационное взаимодействие могло бы резко усилиться, и тогда в БАК при слиянии частиц рождались бы микроскопические чёрные дыры.
Новый метод поиска: сферичность событий
Стандартный подход к поиску новых частиц в данных коллайдера — «тяжёлый объект рождается и распадается, образуя высокоэнергетические продукты распада». При этом типично отбираются события с характерным распределением углов вылета частиц.
Квантовые чёрные дыры должны «испаряться» через излучение Хокинга, разлетаясь практически одновременно во всех направлениях. Это означает, что события их рождения-распада должны быть сферически симметричными — в отличие от привычных столкновений, где продукты реакции разлетаются вдоль первоначальных осей столкновения.
В работе Тамаса Алмоша Вами и коллег представлены новые методы анализа событий в данных CMS, включая подходы машинного обучения. Они помогают искать необычные распределения высокоэнергетических продуктов столкновений.
Что нашли — и чего не нашли
Анализ данных детектора CMS, собранных в 2016–2018 годах в ходе второго запуска БАК, не выявил никакого значимого избытка сферических высокоэнергетических событий, которые указывали бы на рождение квантовых чёрных дыр. Отрицательный результат ограничивает параметры исследованных моделей. Он не означает доказательства отсутствия всех возможных квантовых чёрных дыр при любых энергиях.
Что значит «отрицательный результат» в физике частиц
«Если бы мы нашли свидетельства, мы могли бы непосредственно изучать квантовую гравитацию — шаг к объединению всех известных фундаментальных сил, что является целью физиков уже более века», — прокомментировал Вами.
Читайте также: Теория тёмной материи не прошла прямой тест физиков.
Авторы особо подчёркивают: нулевой результат — не неудача. Каждый новый предел сужает пространство допустимых теорий, ставит более жёсткие ограничения на параметры дополнительных измерений и помогает теоретикам скорректировать модели. Аналогичным образом многолетние нулевые результаты в физике частиц неоднократно предшествовали открытиям новых парадигм. А новый метод анализа по сферичности событий открывает возможности для применения при поиске других экзотических явлений в данных БАК.
