Микроскопических черных дыр на LHC пока 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.

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. А одно из самых ярких следствий гипотезы сильной гравитации состоит в том, что в столкновении высокоэнергетических частиц будут наряду с обычными частицами рождаться микроскопические черные дыры. Для физиков же это одна из интересных экзотических возможностей, которые полезно проверить на LHC. Поиск микроскопических черных дыр заключается в перебирании накопленных данных и поиске именно тех комбинаций частиц, которые характерны для рождения и распада черных дыр.

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).

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 должны испаряться, 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.

На основании этих данных ранее проведенных экспериментов физики смогли наложить ограничения на массы микроскопических черных дыр . Статья с результатами исследования появилась в архиве е-принтов (arXiv:1202.6396). Объем обработанной статистики возрос в сто с лишним раз, что позволило существенно улучшить чувствительность анализа (иными словами, детектор стал чувствовать намного более редкие события). Ограничение снизу на массу черных дыр возросло незначительно и составляет от 3,8 до 5,3 ТэВ в зависимости от модели.

В пятницу 16 марта на Большом адронном коллайдере был поставлен новый рекорд: протоны были впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ. Планируется, что именно на такой энергии LHC будет работать весь 2012 год. Такие энергии, как видим, уже могут привести к рождению и моментальному распаду микроскопических черных дыр на Большом адронном коллайдере. Их обнаружение стало бы замечательным открытием коллайдера. Мы накануне большого события?