Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре расширили поиск микроскопических чёрных дыр на Большом адронном коллайдере (БАК) Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN). Анализ данных эксперимента Compact Muon Solenoid (CMS), собранных в 2016–2018 годах, не выявил признаков таких объектов. Результаты Тamas Vami и Danyi Zhang опубликованы в журнале Progress in High Energy Physics.
Гипотетические квантовые чёрные дыры могли бы возникать при столкновениях протонов, если существуют дополнительные пространственные измерения. Предполагалось, что в этом случае гравитация на очень малых расстояниях становится значительно сильнее, а энергии столкновения оказывается достаточно для образования чёрной дыры. В отличие от астрофизических объектов, такие образования должны были бы распадаться практически мгновенно.
«Если бы мы нашли свидетельства, то смогли бы начать непосредственно изучать квантовую гравитацию», — сказал исследователь CMS Тamas Vami, работающий под руководством профессора физики UCSB Джо Инканделы. По его словам, это стало бы шагом к объединению всех известных фундаментальных взаимодействий. Отсутствие сигнала, однако, также дало результат: исследователи исключили часть параметров, при которых такие объекты могли бы существовать.
Для поиска использовали сферичность событий и суммарную энергию частиц, появившихся после столкновения. Дополнительно команда применила метод «расстояния в фазовом пространстве», разработанный теоретиком UCSB Натаниэлем Крейгом и его коллегами. Он преобразует различия между событиями в единый показатель для системы машинного обучения Support Vector Machine (метод опорных векторов), которая отделяет возможный сигнал от обычного фона столкновений.
«Мы сравнили расстояние в фазовом пространстве с переменной сферичности и пришли к выводу, что расстояние в фазовом пространстве работает лучше», — сказала Danyi Zhang. Новый подход впервые использовали в анализе данных физики элементарных частиц. В отличие от некоторых непрозрачных систем машинного обучения, он позволяет исследователям проверить математические основания полученного результата.
Согласно рассмотренным моделям, квантовые чёрные дыры маловероятны при энергиях примерно до 12 ТэВ (тераэлектронвольт). Результаты также ограничили ряд теорий дополнительных измерений: по словам Vami, при принятых параметрах они допускают не более двух таких измерений, хотя струнная теория предполагает всего 10 измерений. Исследователи также искали сфалероны — нестабильные конфигурации полей, которые могли бы помочь объяснить преобладание материи над антиматерией, но их признаков не обнаружили.
Проблема иерархии, связанная с необычайной слабостью гравитации по сравнению с другими фундаментальными силами, пока остаётся нерешённой. По оценке теоретика UCSB Стивена Гиддингса, без дополнительных измерений для образования даже самых маленьких чёрных дыр потребовались бы столкновения с энергией примерно в миллион миллиардов раз выше нынешних возможностей БАК. Дальнейшие поиски продолжатся после модернизации коллайдера: будущий High Luminosity Large Hadron Collider (коллайдер высокой светимости) должен предоставить значительно больше данных для изучения редких процессов.