Где прячутся квантовые черные дыры? Коллайдер сузил зону поиска

В данных, накопленных детектором CMS к 2018 году, не нашлось следов квантовых чёрных дыр. Коллаборация, работающая на Большом адронном коллайдере, исключила их рождение при энергиях до 12 ТэВ. Если учитывать проверявшиеся модели, это самый строгий предел для гипотез о дополнительных измерениях, а заодно и обкатка нового метода анализа.

Квантовая чёрная дыра — не та, что пожирает звёзды в центрах галактик. Это гипотетический микроскопический объект массой в несколько микрограммов, который возникает на неуловимое мгновение при столкновении частиц и тут же распадается. Внутри такого сгустка гравитация встречается с квантовой механикой. Учёные пытаются объединить эти две области физики уже больше ста лет.

Скрытые измерения обещают разгадку слабой гравитации

Почему гравитация настолько слабее остальных сил? В лаборатории достаточно маленького магнита, чтобы оторвать скрепку от стола, а ведь притяжение целой планеты тянет её вниз. В физике элементарных частиц это неудобное расхождение называют проблемой иерархии.

Одно из возможных объяснений — дополнительные пространственные измерения. Если они существуют, часть гравитации могла бы «утекать» в них, становясь незаметной для нас. Тогда на очень малых масштабах гравитация на самом деле не такая уж слабая, а просто ведёт себя иначе.

Именно это и проверяли на коллайдере. Физикам нужно было собрать огромную энергию в крошечный объём. Природа делает это сама, когда протоны разгоняются почти до скорости света и сталкиваются лоб в лоб.

Что может выдать присутствие микроскопической дыры

Если бы квантовая чёрная дыра действительно родилась, её распад выглядел бы необычайно аккуратно. Обращали бы на себя внимание сразу несколько характерных примет:

• почти сферический разлёт частиц, а не узкие струи, как в обычных столкновениях;
• аномально высокая суммарная энергия продуктов распада;
• необычайно высокая множественность частиц в одном событии.

Команда из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре искала именно эти признаки в данных CMS за 2016–2018 годы. Попутно исследователи опробовали новую технику под названием фазово-пространственное расстояние. Она позволяет сравнивать между собой не отдельные частицы, а целые события столкновений.

Если описать событие в многомерном пространстве импульсов и энергий, у каждого столкновения появится своя «географическая» точка. Расстояние между такими точками становится мерой того, насколько событие необычно по сравнению с ожиданиями Стандартной модели.

1. Сначала отбирались события с высокой энергией поперечных частиц;
2. Затем для каждой пары событий вычислялась дистанция в фазовом пространстве;
3. Полученные распределения сравнивались с предсказаниями без новых физических процессов.

Этот подход — не «чёрный ящик». В отличие от сложных нейросетевых алгоритмов, здесь можно шаг за шагом проверить, почему то или иное событие признано подозрительным.

Сфалероны — вторая цель поиска

Те же данные позволили исследователям заглянуть в другую экзотическую область — поиск сфалеронов. Сфалерон не частица, а неустойчивая структура полей, которая может переводить одни частицы в другие. Теоретически такие процессы способны объяснить, почему во Вселенной так много материи и так мало антиматерии.

Испытания не нашли следов сфалеронных переходов. Зато физики смогли установить границы того, как часто подобные превращения могли бы происходить.

Почему нулевой результат — это знание

В физике элементарных частиц ограничение — это не разочарование, а карта. Каждый исключённый диапазон делает карту новых физик немного короче. Если теория предсказывает, что частица должна появляться при определённой энергии, а эксперимент такой частицы не видит, значит, теория нуждается в пересмотре.

«Лучший ориентир — экспериментальные данные, — говорит физик Стивен Гиддингс. — Теоретики продолжат придумывать идеи, но решающее слово всегда будет за опытом».

Поиск пока не дал сигнала. Но именно такие «пустые» результаты помогают будущим экспериментам двигаться в правильном направлении.

Больше данных — новая надежда на находку

Сейчас Большой адронный коллайдер остановлен на модернизацию. В ближайшие годы заработает улучшенная версия — HL-LHC. Она позволит собирать в десятки раз больше столкновений, а значит, повысит шансы увидеть редчайшие события, в том числе рождение квантовых чёрных дыр.

Чем больше данных, тем тоньше становится грань, которую можно исследовать. Теоретики уже гадают: не проявит ли себя гравитация в столкновениях, которые мы пока не умеем даже как следует описать?

Прошедший анализ отбросил часть гипотез, но открыл новую область для поиска. Где же в следующий раз появится трещина в Стандартной модели — на подходе к планковской шкале или в каком-то ещё, совершенно неожиданном месте?

«`