Микроскопических черных дыр на LHC не видно

Главная задача Большого адронного коллайдера — выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10^–19 м, «прощупав» его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности — заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

Поиск хиггсовского бозона, который сейчас у всех на слуху, — это лишь один из способов узнать что-то об этом «новом пласте реальности». Другой способ — прямое открытие частиц или взаимодействий, которые отсутствуют в Стандартной модели элементарных частиц. Именно поэтому экспериментаторы занимаются поиском самых разнообразных, подчас даже экзотических явлений или частиц в накопленной статистике протонных столкновений. Надежное открытие чего-то необычного будет иметь революционные последствия, а не-открытие позволит наложить новые ограничения на фантазии теоретиков.

Одна из самых захватывающих идей, предложенных теоретиками в последние десятилетия, заключается в том, что гравитация может в определенных ситуациях стать очень сильной на расстояниях меньше 10^–19 м. Для этого нужно, чтоб наш мир, кажущийся нам трехмерным, являлся на самом деле многомерным, а дополнительные измерения были свернуты в «петельки» размером не больше сотни микрон (но существенно больше размера протона). Эти дополнительные измерения недоступны для обычных частиц, но в них проникает гравитация, просто потому, что гравитация есть искривление пространства. Это предположение элегантно решает загадку, почему гравитация намного слабее всех остальных взаимодействий в нашем мире (подробности см. в популярной статье Трехмерен ли наш мир?).

Одно из самых ярких следствий гипотезы сильной гравитации состоит в том, что в столкновении высокоэнергетических частиц будут наряду с обычными частицами рождаться и тут же распадаться микроскопические черные дыры. Благодаря усилиям СМИ с этой возможностью у широкой публики связаны стойкие, но необоснованные страхи о «конце света» (см. пояснения на нашей страничке Подробности про микроскопические черные дыры). Для физиков же это одна из интересных экзотических возможностей, которые полезно проверить на LHC. Во избежание недоразумения лишний раз подчеркнем, что никаких специальных «экспериментов по созданию черных дыр» не ставилось (и не могло ставиться). Поиск микроскопических черных дыр заключается лишь в очередном перебирании накопленных данных и поиске именно тех комбинаций частиц, которые характерны для рождения и распада черных дыр.

После этого длинного вступления можно перейти непосредственно к новости.

15 декабря коллаборация CMS опубликовала статью, в которой сообщается о результатах первого целенаправленного поиска проявлений микроскопических черных дыр в протон-протонных столкновениях с полной энергией 7 ТэВ. Статья доступна в архиве электронных препринтов под номером arXiv:1012.3375. Поиск велся в статистике, соответствующей интегральной светимости 35 pb^–1 — это почти все данные, накопленные детектором в 2010 году. Критерием для выделения кандидатов в черные дыры являлось рождение нескольких частиц с аномально большим поперечным импульсом (точнее говоря, для анализа использовалась так называемая «поперечная энергия» — энергия, которую имела бы частица, если бы ее продольный импульс был равен нулю). Дело в том, что в обычных протонных столкновениях рожденные частицы не слишком сильно отклоняются от оси пучков (то есть имеют небольшую поперечную энергию). Однако если процесс идет через образование и распад промежуточной сверхтяжелой частицы (например, черной дыры), то рожденные частицы разлетаются во все стороны примерно одинаково. Поэтому на графике распределения всех событий по поперечной энергии такая промежуточная частица будет видна как широкий бугорок. Отсутствие каких-либо промежуточных частиц будет выглядеть как плавно спадающий фон.

Стоит подчеркнуть характерное отличие черных дыр от любых других гипотетических массивных частиц, которые могли бы рождаться и распадаться в таких столкновениях. Обычные частицы, какой бы природы они ни были, так или иначе имеют свои «предпочтения», на что распадаться. Скажем, хиггсовский бозон предпочитает распадаться на тяжелые частицы и практически не распадается на легкие. Гипотетические возбужденные кварки будут распадаться на кварки, но не на электроны или мюоны. Черные же дыры отличаются от всех них своей «демократичностью» — они испаряются, испуская частицы всех возможных типов безотносительно к тому, что это за частицы и как они взаимодействуют. В распадах микроскопических черных дыр преобладают кварки и глюоны (просто потому, что их больше, у них есть дополнительная характеристика «цвет»), но также появляются и фотоны, и электроны, и мюоны, и нейтрино. Поэтому при поиске микроскопических черных дыр следует обращать внимание на любые частицы с большим поперечным импульсом.

Распределение событий по полной поперечной энергии. Черные точки — данные детектора CMS, сплошная синяя линия и голубая полоса показывают ожидаемый вклад обычных процессов рассеяния и их теоретические неопределенности. Три штрихованные гистограммы показывают, как выглядел бы этот график, если бы в эксперименте рождались микроскопические черные дыры с массой 3 ТэВ (три случая отличаются лишь количеством дополнительных пространственных измерений n). Изображение из обсуждаемой статьи

На рисунке показан один из графиков, приведенных в статье. Здесь показано распределение по полной поперечной энергии, то есть по горизонтальной оси отложена поперечная энергия, а по вертикали — сколько событий попало в тот или иной диапазон. Конкретно на этом графике использованы не все события, а только те, в которых рождалось как минимум три «объекта» с большой поперечной энергией («объектом» считается адронная струя или высокоэнергетический фотон или лептон); в статье приводятся аналогичные графики и для другого количества объектов. Синим цветом показаны теоретические ожидания в том случае, если никаких черных дыр не рождается. Штрихованными линиями даны ожидания в случае, когда на LHC рождаются и распадаются черные дыры с массой 3 ТэВ (три случая отвечают разным реализациям этой идеи, различающихся количеством дополнительных пространственных измерений n).

Видно, что реальные данные согласуются с гипотезой об отсутствии черных дыр и расходятся с гипотезой о существовании черных дыр с указанной массой. На основании этих данных физики смогли наложить ограничения на массы микроскопических черных дыр — даже если они и существуют в природе, они должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации. В будущем, с увеличением статистики и с повышением энергий столкновений, эти ограничения улучшатся еще в несколько раз.