|
Физики расширяют поиск квантовых черных дыр
|
|
|
|
Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре расширили поиск доказательств существования микроскопических черных дыр, образующихся на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Образование этих крошечных, мимолетных объектов на БАК — один из способов, с помощью которого теоретики пытаются устранить противоречия в нашем понимании базовой структуры пространства-времени, а метод, используемый для их поиска, демонстрирует новый подход к поиску новых частиц.
|
|
|
|
«Если бы мы нашли доказательства, то могли бы приступить к непосредственному изучению квантовой гравитации, — говорит Тамаш Вами, исследователь эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid), который проходит постдокторантуру под руководством профессора физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джо Инканделы. — Это шаг к объединению всех известных фундаментальных взаимодействий, к чему физики стремятся уже более ста лет».
|
|
|
|
Однако отрицательный результат не означает, что поиски были напрасными, говорит аспирант лаборатории Инканделы Дэни Чжан. Совсем наоборот.
|
|
|
|
«Это не тупик, — сказала она. — В результате мы получили предел исключения, который можно опубликовать: «Если бы эта частица существовала с такими свойствами, мы бы ее обнаружили. Но мы ее не обнаружили, так что можем исключить ее существование». Это настоящее знание о том, как устроена Вселенная».
|
|
|
|
|
|
|
Одна из загадок нашей Вселенной заключается в том, что мы существуем на уровне энергии, который намного ниже известной нам фундаментальной энергетической шкалы — планковской шкалы. Это может быть объяснено с помощью новой физики или симметрии, которую нам еще предстоит обнаружить. Теоретики пришли к выводу, что новая физика может проявиться на энергетических уровнях, доступных для Большого адронного коллайдера.
|
|
|
|
Множество новых теоретических возможностей и экспериментальных исследований позволили исключить большую часть гипотез. Тот факт, что на Большом адронном коллайдере не было обнаружено никаких признаков новой физики, стал настоящей загадкой для фундаментальной физики. Однако подобные ситуации возникали и раньше и приводили к появлению совершенно новых парадигм, таких как теория относительности Эйнштейна. В этом контексте, по словам исследователей, нулевые результаты являются важной частью общей картины и служат ориентиром для будущих идей и экспериментальных исследований.
|
|
|
|
Представление о черных дырах в БАКЕ возникло пару десятилетий назад, когда было высказано предположение, что при достаточно высоких энергиях и с возможностью дополнительных пространственных измерений (которые уже требуются в теории струн) квантовые черные дыры потенциально могут образовываться среди триллионов протон-протонных столкновений, генерируемых Ускоритель частиц LHC.
|
|
|
|
"Они не будут сохраняться очень долго — если вы создадите один из них, он немедленно распадется", - сказал физик-теоретик Калифорнийского университета Стивен Гиддингс, эксперт по парадоксальным последствиям сочетания квантовой механики с гравитацией и один из немногих ученых того времени, которые предположили, что при определенных условиях эти крошечные пустоты в пространстве-времени могут быть разрушены. существовать.
|
|
|
|
Тот факт, что эти микроскопические квантовые черные дыры мгновенно испаряются, был тогда неправильно понят массовым воображением, которое ухватилось за новости о потенциальных стабильных черных дырах в БАКЕ и продолжало с ними работать.
|
|
|
|
"Люди были больше сосредоточены на классическом поведении черных дыр", - сказал Гиддингс, имея в виду эти массивные пустоты в пространстве-времени, области с экстремальной гравитацией, которые могут поглощать целые звезды, расти и сливаться. Такие черные дыры, как БАК, могут образоваться в результате столкновений протон-протон и еще не открытых дополнительных измерений.
|
|
|
|
"Итак, что вам нужно, чтобы создать черную дыру? Ну, вам нужно сжать некоторое количество энергии в действительно небольшом объеме", - объяснил Гиддингс. Этот «очень маленький объём» может находиться в двух или более гипотетических дополнительных пространственных измерениях, которые слишком малы, чтобы мы могли их зарегистрировать в нашей трёхмерной реальности.
|
|
|
|
Их существование было предложено в качестве решения давних проблем фундаментальной физики, таких как проблема иерархии, которая заключается в том, чтобы объяснить, почему, например, гравитация намного слабее других фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Этот вопрос является частью более масштабной проблемы, с которой сталкиваются физики, пытаясь объяснить, почему всё, что мы видим, существует при таких низких значениях массы и энергии.
|
|
|
|
Что касается гравитации, то идея состоит в том, что на самом деле гравитация может быть намного сильнее, но она может «просачиваться» в эти дополнительные измерения, а это значит, что планковский масштаб может быть гораздо ближе к нашему энергетическому масштабу, чем мы думаем. По словам Гиддингса, в этих меньших измерениях гравитация проявлялась бы гораздо сильнее.
|
|
|
|
«По сути, сила гравитации увеличивается тем быстрее, чем меньше расстояние», — сказал он.
|
|
|
|
Это одна часть гипотезы. Другая часть связана с высокими энергиями, необходимыми для того, чтобы сжать огромное количество гравитационной энергии в исчезающе малом пространстве.
|
|
|
|
На помощь приходит Большой адронный коллайдер и невероятные энергии, возникающие при столкновениях протонов с протонами.
|
|
|
|
«На Большом адронном коллайдере мы сталкиваем частицы с чрезвычайно высокой энергией, что соответствует микроскопическим масштабам расстояний, — говорит Инкандела. — Как и в микроскопии, чем выше энергия, тем меньше длина волны, что позволяет исследовать меньшие расстояния».
|
|
|
|
На Большом адронном коллайдере исследуются расстояния вплоть до 10-20 метров — для атома это то же самое, что атом для человека.
|
|
|
|
«Дополнительные измерения не обязательно должны быть такими маленькими, — продолжает Инкандела, — а это значит, что они могут влиять на протон-протонные столкновения на Большом адронном коллайдере». Теоретически такого сочетания чрезвычайно высокой плотности энергии в условиях сильной гравитации было бы достаточно, чтобы пространство-время свернулось и образовалось квантовое образование, похожее на чёрную дыру.
|
|
|
|
Споры о чёрных дырах на Большом адронном коллайдере в конечном счёте разрешились после того, как отчёты по безопасности и сравнения с бомбардировками сверхвысокоэнергетическими космическими лучами, взаимодействующими с верхними слоями атмосферы или с другими астрономическими объектами, подтвердили, что столкновения с высокой энергией не представляют угрозы, а любые квантовые чёрные дыры мгновенно испаряются.
|
|
|
|
Несмотря на чрезвычайно короткий срок жизни квантовых чёрных дыр, физики, работающие на Большом адронном коллайдере, поняли, что потенциально их можно обнаружить по характеру распада. ATLAS и CMS провели первые поиски, но не обнаружили никаких свидетельств существования квантовых чёрных дыр, поскольку работали с относительно небольшими массивами данных.
|
|
|
|
Благодаря большему объему доступных данных стало возможным провести новый поиск, который позволил бы охватить более высокоэнергетические области. Поскольку квантовые черные дыры — чрезвычайно редкое явление, чем больше данных, тем выше вероятность того, что их удастся обнаружить, если они существуют.
|
|
|
|
«У нас есть две большие теории, описывающие законы природы, — говорит Вами. Если вам нужно описать что-то очень маленькое, обратитесь к квантовой теории поля. У нас есть Стандартная модель, описывающая все частицы, и на практике она работает исключительно хорошо. А если говорить о чем-то очень, очень большом, то есть общая теория относительности, которая описывает поведение крупных и массивных объектов».
|
|
|
|
По его словам, цель состоит в том, чтобы каким-то образом объединить эти две теории в единую теорию всего, «а это очень сложно сделать, потому что нечасто встречаются объекты, которые были бы одновременно очень маленькими и чрезвычайно массивными».
|
|
|
|
Черные дыры — это пример того, как классическая и квантовая физика пересекаются, в частности в случае с микроскопическими черными дырами, для которых квантовые эффекты становятся более значимыми.
|
|
|
|
В своей статье исследователи описывают два метода определения наличия черных дыр на основе данных, полученных в период с 2016 по 2018 год с помощью детектора CMS.
|
|
|
|
Один из них основан на таком свойстве, как сферичность, объясняет Инкандела.
|
|
|
|
«Вы создаете черную дыру, и она тут же распадается. Но у нее очень сферическая сигнатура распада — множество частиц разлетается во все стороны».
|
|
|
|
Другой признак — очень высокая энергия.
|
|
|
|
«Мы знаем, что черные дыры обладают очень высокой энергией, — говорит Чжан. — Поэтому мы просто суммируем энергию частиц, которые являются продуктами распада того, что образовалось в результате столкновения. Если сумма достаточно велика, мы можем сказать, что именно в этой области мы, скорее всего, обнаружим сигнал».
|
|
|
|
Подобная структура событий также хорошо подходит для нового метода «расстояния в фазовом пространстве», разработанного теоретиком в области физики элементарных частиц из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Натаниэлем Крейгом и его коллегами. Этот метод позволил им использовать инструмент машинного обучения под названием «метод опорных векторов» для поиска частиц. Он помогает пользователям отделить структуру искомых сигнальных событий от фона других высокоэнергетических событий, возникающих в результате уже известных процессов.
|
|
|
|
«Фазовое пространство» — это математическая многомерная карта, в которой каждое измерение пространства и времени, а также энергия и импульс системы частиц представлены в виде одной координаты.
|
|
|
|
«Мы разработали идею расстояния в фазовом пространстве между событиями, которое можно использовать в сочетании с методом опорных векторов для облегчения поиска», — говорит Крейг. Расстояния между всеми событиями преобразуются в единую переменную, называемую показателем метода опорных векторов. Чем выше показатель, тем больше вероятность того, что исследователи имеют дело с искомым сигналом. Этот метод впервые был применен для анализа данных в области физики элементарных частиц.
|
|
|
|
«Мы сравнили расстояние в фазовом пространстве с параметром сферичности и пришли к выводу, что расстояние в фазовом пространстве превосходит сферичность», — сказал Чжан. Кроме того, в отличие от методов машинного обучения типа «черный ящик», этот метод является контролируемым, поэтому исследователи могут заглянуть в математическую модель, лежащую в основе полученных результатов.
|
|
|
|
В ходе поиска исследователи не обнаружили явных признаков образования квантовых черных дыр, а это значит, что при энергиях до 12 ТэВ (тераэлектронвольт) квантовые черные дыры маловероятны, как и дополнительные измерения, о которых говорится в некоторых теориях.
|
|
|
|
Это ограничение важно, поскольку оно накладывает конкретные ограничения на эти теоретические модели Вселенной. Например, по словам Вами, теория струн предполагает наличие в общей сложности 10 измерений, «но наши измерения показывают, что при заданных параметрах рассматриваемых нами теорий их не может быть больше двух».
|
|
|
|
«Теории не дают однозначного ответа, — добавил Чжан. — Они предсказывают целый ряд возможных мест, где может скрываться частица. Каждый поиск отсекает часть этого диапазона и говорит: "Здесь ее нет", и со временем карта возможных мест, где может скрываться новая физика, становится все меньше».
|
|
|
|
Именно так в конечном итоге были обнаружены такие частицы, как бозон Хиггса, продолжила она, — в 2012 году, после десятилетий исключения одной энергетической области за другой в ходе тщательного процесса отсеивания. Этот процесс не только подталкивает к поиску более эффективных идей, но и влияет на разработку новых моделей, а также на проектирование новых экспериментов и детекторов.
|
|
|
|
Так что пока загадка проблемы иерархии остаётся неразгаданной. По оценкам Гиддингса, в отсутствие дополнительных измерений для создания мельчайших чёрных дыр размером с микрограмм потребовались бы столкновения частиц с энергией в миллион миллиардов раз выше той, что достигается на Большом адронном коллайдере.
|
|
|
|
«Теоретики будут продолжать генерировать идеи, и, возможно, мы добьёмся большего в понимании этих процессов без экспериментальных данных, но это будет непросто, — сказал Гиддингс. — Лучший ориентир — это экспериментальные данные, и именно их нам бы очень хотелось получить», — сказал он, имея в виду изучение квантовой гравитации, которую он называет «самой серьёзной проблемой в теоретической физике».
|
|
|
|
Экспериментаторы Вами и Чжан в ходе работы на коллайдере с самыми высокими на данный момент энергиями смогли подвергнуть Стандартную модель экстремальным испытаниям. Их работа не только дает направление для будущих поисков квантовых черных дыр в качестве возможного решения проблемы иерархии, но и продемонстрировала, что новый обобщаемый метод, инструмент определения расстояния в фазовом пространстве, может ускорить поиск других экзотических и ранее неизвестных частиц, а также необычных взаимодействий и условий.
|
|
|
|
Фактически, в той же статье исследователи описывают свой поиск сфалеронов, которые не являются частицами; скорее, они представляют собой теоретически нестабильные конфигурации полей частиц, которые, подобно квантовым черным дырам, имеют довольно сферические энергетические характеристики. Они также могли бы объяснить другую фундаментальную загадку физики — проблему асимметрии вещества и антиматерии, или почему в нашей Вселенной есть материя, хотя считается, что в результате Большого взрыва материя и антиматерия были созданы в равных количествах, которые должны были аннигилировать друг с другом, оставив после себя только энергию.
|
|
|
|
Исследователи не нашли этих гипотетических процессов в ходе своего поиска, тем самым установив ограничения на долю взаимодействий, которые, возможно, могут приводить к переходам сфалерона.
|
|
|
|
"Мы будем устанавливать ограничения на то, какие теории могут быть верными", - сказал Чжан. Она с нетерпением ждет новых данных, которые будут получены в будущем на БАКЕ, который в настоящее время закрыт для проведения масштабных работ по модернизации. Будущий Большой адронный коллайдер высокой светимости (High Luminosity Large Hadron Collider, HL-LHC) позволит исследователям «более детально изучить фундаментальные составляющие материи», в том числе процессы, которые могут пролить свет на эволюцию ранней Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
