Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider, w skrócie LHC) to największy akcelerator cząstek na świecie. Znajduje się w ośrodku CERN w Genewie, na granicy Szwajcarii i Francji. Służy fizykom do prowadzenia eksperymentów w celu poznawania własności różnych cząstek elementarnych.

Już kilkadziesiąt lat temu pojawiła się koncepcja powstawania czarnych dziur w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Sugerowano, że przy odpowiednio wysokich energiach i przy założeniu istnienia dodatkowych wymiarów przestrzennych (np. wymaganych w ramach tzw. teorii strun), mogłyby potencjalnie powstawać kwantowe czarne dziury, pośród bilionów zderzeń protonów z protonami. Takie czarne dziury nie istniałyby długo i praktycznie natychmiast ulegałyby dezintegracji.

„Te czarne dziury z Wielkiego Zderzacz Hadronów byłyby wynikiem zderzeń protonów z protonami oraz istnienia nieznanych dodatkowych wymiarów” – tłumaczy Steven Giddings, fizyk z Uniwersytet Kalifornijskiego w Santa Barbara.

„Czego potrzeba do stworzenia czarnej dziury? Należy skompresować energię w naprawdę małej objętości. Ta niewielka objętość mogłaby znajdować się w dwóch lub więcej hipotetycznych dodatkowych wymiarach przestrzennych, zbyt małych, abyśmy byli je w stanie dostrzec w naszej codziennej rzeczywistości wymiarów 3+1” – dodaje naukowiec.

Istnienie takich miniaturowych czarnych dziur zostało zaproponowane jako rozwiązanie dla wieloletnich zagadek w fizyce, takich jak problem hierarchii, który dotyczy m.in. tego, dlaczego grawitacja jest znacznie słabsza od pozostałych oddziaływań podstawowych. Kwestia ta stanowi część szerszego problemu, dlaczego wszystko, co obserwujemy, istnieje z niskimi skalami mas i energii.

W przypadku grawitacji, pomysł zakłada, iż w rzeczywistości grawitacja może być znacznie silniejsza, ale „wycieka” do innych wymiarów. Jej efekty mogłyby być silniejsze w tych małych dodatkowych wymiarach.

Drugą sprawą przy tworzeniu czarnych dziur są wielkie energie w małej objętości. W Wielkim Zderzaczu Hadronów cząstki zderzają się z olbrzymimi energiami, co koresponduje z małymi skalami odległości. Badane są odległości 10 do minus 20 potęgi metra (10^-20). Dla atomu skala ta ma się tak, jak dla człowieka atom. Dodatkowe wymiary musiałyby być tych rozmiarów.

Fizycy wymyślili, iż można spróbować wykryć takie hipotetyczne kwantowe czarne dziury poprzez sposób, w jaki zanikają. Wczesne poszukiwania nie dały żadnych dowodów na istnienie takich czarnych dziur. Wraz z uzyskiwaniem większej ilości danych można było przesunąć poszukiwania do rejonów wyższych energii. Ponieważ utworzenie kwantowej czarnej dziury jest hipotetycznie bardzo rzadkie, im więcej danych, tym lepiej – zwiększa prawdopodobieństwo, że taki proces wykryjemy.

Kwantowe czarne dziury mogłyby pomóc w łączeniu dwóch wielkich teorii fizycznych, jako obiekty niezwykle małe, ale jednocześnie bardzo ciężkie (z wielką energią). W małych skalach świat opisuje kwantowa teoria pola, wraz z tzw. modelem standardowym. Z kolei w dużych skalach bardzo dobrze działa ogólna teoria względności.

W nowej publikacji badacze wskazują dwie metody ustalenia czy kwantowe czarne dziury istnieją. Analiz dokonują na danych z lat 2016-2018 z detektora CMS. Pierwsza metoda próbuje wykorzystać sferyczną sygnaturę rozpadu takiej czarnej dziur – we wszystkich kierunkach. Druga opiera się na założeniu, że czarna dziura ma olbrzymią energię. Trzeba więc zsumować energie cząstek, które są efektem rozpadu czegoś, co utworzono w wyniku zderzenia. Jeśli suma energii będzie odpowiednio duża, możemy przypuszczać, że to obszar, w którym należy szukać sygnału.

Nathaniel Craig z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara opracował wraz ze współpracownikami nową metodę „odległości w przestrzeni fazowej”. W poszukiwaniach wykorzystali narzędzia uczenia maszynowego, pozwalającą na odróżnienie struktury poszukiwanych zdarzeń sygnałowych od tła utworzonego przez inne wysokoenergetyczne zdarzenia pochodzące od już znanych procesów. Termin „przestrzeń fazowa” oznacza tutaj wielowymiarową matematyczną mapę, na której każdy wymiar czasu i przestrzeni, a także energia i pędu układu cząstek, są opisane jako jeden punkt.

Po zastosowaniu swojej metody, naukowcy nie odnaleźli oznak tworzenia się kwantowych czarnych dziur. Wynik oznacza, iż do energii 12 teraelektronowoltów, kwantowe czarne dziury, ani dodatkowe wymiary, raczej nie istnieją.

Wbrew pozorom, negatywny wynik eksperymentu także jest cenny. Wprowadza bowiem konkretny limit dla modeli teoretycznych.

W przyszłości badacze będą chcieli sprawdzić nowe dane z kolejnych eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów, który obecnie przechodzi modernizację. (PAP)

cza/ agt/