Коли йдеться про чорні діри, ми зазвичай уявляємо гігантські космічні об’єкти, які поглинають усе навколо. Проте десятиліттями фізики припускають існування значно менших і короткоживучих аналогів. За допомогою найпотужнішого у світі прискорювача частинок — Великого адронного колайдера (ВАК) — науковці намагаються зафіксувати квантові чорні діри, розміри яких менші за атом.
Відкриття таких об’єктів може вирішити фундаментальні загадки структури чотиривимірного простору-часу та об’єднати дві досі несумісні концепції: загальну теорію відносності, яка описує гравітацію на макрорівні, та квантову фізику, що пояснює мікросвіт. Це наблизить фізику до створення довгоочікуваної теорії квантової гравітації.
«Приховані» виміри та природа гравітації
На відміну від класичних астрофізичних чорних дір, які виникають під час гравітаційного колапсу масивних зір, квантова чорна діра потребує стиснення колосальної енергії у крихітному об’ємі. За однією з гіпотез, таке стиснення можливе за наявності додаткових «прихованих» вимірів, передбачених теорією струн.
Ці додаткові виміри також могли б пояснити, чому гравітація є найслабшою з чотирьох фундаментальних взаємодій: вона просто «витікає» у приховані виміри, де її сила насправді значно більша. Енергії зіткнень у колайдері відповідають масштабам, у яких відстань до атома співвідноситься так само, як розмір атома — до людського тіла. Саме на таких масштабах варто шукати квантові чорні діри.
Побоювання щодо того, що колайдер може створити стабільну чорну діру та знищити Землю, є безпідставними. Якщо подібний об’єкт і виникне під час зіткнення протонів, він миттєво випарується.
Як помітити об’єкт, що миттєво зникає?
Прямо зафіксувати субатомну чорну діру неможливо навіть за допомогою найчутливіших детекторів. Проте її можна виявити за «підписом» — потоком частинок та енергії, які вивільняються під час її розпаду.
Розпад квантової чорної діри має характерну сферичну форму з розльотом частинок у всіх напрямках. Дослідники з експерименту Compact Muon Solenoid (CMS) застосували новий метод аналізу даних зіткнень на енергіях до 12 ТеВ. Вони підсумовували енергію продуктів розпаду частинок, шукаючи відповідні сплески.
Нульовий результат — це теж знання
Слідів квантових чорних дір або додаткових вимірів у цьому діапазоні енергій поки що не виявлено. Проте науковці не вважають це поразкою. У фізиці високих енергій відсутність сигналу дозволяє встановити межу виключення — чіткий параметр, який свідчить: «якщо об’єкт існує з такими властивостями, ми б його помітили, а отже, у цій зоні його немає».
Метод послідовного виключення вже довів свою ефективність — саме завдяки йому у 2012 році вдалося відкрити бозон Гіґґса. З накопиченням нових даних та вивченням вищих енергетичних діапазонів шанс виявити квантові чорні діри зростатиме, звужуючи простір для гіпотез і наближаючи фізиків до об’єднання фундаментальних сил природи.
Раніше ми розповідали про те, як у Великому адронному колайдері виявили найважчу частинку антиматерії.
За матеріалами ucsb.edu
