Для научного журнала Physics Letters B была подготовлена специальная публикация, посвященная результатам исследований, проводимых с помощью одного из четырех основных детекторов Большого адронного коллайдера — CMS (Compact Muon Solenoid), или Компактного мюонного соленоида.
Статью можно найти на сайте бесплатных препринтов arXiv. org. Данные набирались с марта по октябрь 2010 года в столкновениях протон-протонных пучков с суммарной энергией около 7 ТэВ (тераэлектрон-вольт, 7×1012 эВ) в системе центра масс, это 3,5 ТэВ на каждый пучок.
Согласно этим данным (наиболее полным на нынешний момент), следов появления микроскопических черных дыр внутри коллайдера не зафиксировано. Если говорить точнее, то на возможность появления такого рода экзотических объектов наложено довольно строгое ограничение: если они все-таки и существуют, то их масса должна превышать 3,5-4,5 триллиона электрон-вольт. Если теперь вспомнить, что Большой адронный коллайдер (БАК) был остановлен на зимние каникулы, то в ближайшие месяцы можно спать совершенно спокойно: конца света, вызванного экспериментами физиков-ядерщиков, пока, — если предположения о нестабильности микродыр верны, — ожидать не приходится.
Что же вызывает у людей такое беспокойство? Правомерны ли протесты и судебные иски против ученых-экспериментаторов? Дело в том, что ряд ответвлений популярной среди теоретиков теории струн (или теории суперструн) — варианта объединения общей теории относительности с квантовой механикой — предполагает существование дополнительных свернутых, так называемых компактифицированных измерений во Вселенной. Это означает, что помимо доступных нам в ощущениях трех пространственных координат плюс временной шкалы могут быть еще дополнительные — скрытые — измерения.
Гравитация в такой многомерной Вселенной будет вести себя несколько иначе, чем в прежних гравитационных теориях. Предполагается, что на сверхмалых расстояниях (сопоставимых с размерами "пузырьков" или "петелек" дополнительных свернутых измерений) она может значительно возрастать (становиться сопоставимой с другими тремя основными взаимодействиями, управляющими частицами: электромагнитным, слабым и сильным или ядерным) и способствовать рождению микроскопических черных дыр.
В БАК при рекордных для ускорителей энергиях сталкивающиеся частицы могут иногда создавать крохотные сверхплотные образования, из которых теоретически могут зарождаться нестабильные или стабильные нераспадающиеся черные дыры. Конечно, в космических лучах, приходящих из регионов крупнейших галактических катаклизмов и непрерывно бомбардирующих нашу Землю, можно найти частицы и с гораздо большими энергиями, чем в каком-либо рукотворном ускорителе, но тонкость тут в том, что "инозвездное" сверхплотное вещество, имеющее огромную скорость, может беспрепятственно пронизывать всю планету насквозь и без всякого вреда улетать дальше.
А вот черные дыры, рождающиеся во встречных пучках, будут иметь небольшие скорости, подчиняться земной гравитации, опускаться и накапливаться в центре земного шара, начиная там свою разрушительную деятельность. Так, во всяком случае, выглядит один из самых драматичных сценариев, согласно которому подобные черные дыры могут присоединять к себе и обычное вещество, пока не поглотят его полностью со всеми нашими городами и океанами, физиками и скептиками…
Вряд ли кто-то из читателей не слышал про эти страшилки. При этом ничего принципиально нового "обвинители" БАК, конечно, не изобрели. Еще до запуска Большого адронного коллайдера предсказывали всемирную катастрофу, связанную с экспериментами в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, где в 2000 году вроде бы была получена предсказанная ранее сверхплотная форма материи — кварк-глюонная плазма. А впервые гипотеза об аномальной материи, которая поглотит и преобразует в свое подобие обычное вещество, появилась в связи с никому сейчас уже не памятным ускорителем Бевелак, построенным в 1970-х годах в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Помимо черных дыр с БАК связаны и другие страхи. Так, например, российские теоретики Ирина Арефьева и Игорь Волович из Математического института имени Стеклова в начале 2008 года предсказали появление в момент запуска БАК "кротовых нор" и чуть ли не путешественников из будущего, прибывающих к нам с помощью этих образований. Суть в том, что "кротовые норы" — этакие родственники черных дыр, через которые практически мгновенно можно перемещаться на сверхдальние расстояния. В принципе, они могут действовать как машины времени, позволяющие нарушать причинно-следственные связи. Вопрос о том, возможно ли образование стабильных "кротовых нор", остается открытым, но если сквозь такую "дыру" сможет "протискиваться" хотя бы какая-нибудь информация, то и принципиальная возможность контактов с прошлым и будущим существует.
Неуверенность, с которой ядерщики до сих пор рассуждают на все эти темы, заставляют лишний раз ощутить бессилие человека перед лицом природы, далеко еще не познанной современной наукой. Создатели БАК напоминают о том, что впервые в истории проводится эксперимент с непредсказуемыми последствиями, и, как видим, не отказываются от проверки даже самых безумных предположений.
Для того чтобы допустить появление в БАК стабильных черных дыр, необходимо выйти за рамки обычной теории гравитации. Однако само по себе существование или же несуществование дополнительных измерений еще не подтверждает и не опровергает теорию струн или какую-либо иную теорию. В рамках теории струн можно обходиться без дополнительных измерений, не говоря уже о том, что помимо этой теории есть много вполне корректных с точки зрения современной науки альтернатив, которые предполагают, в частности, и существование дополнительных измерений.
Опять же не все они влекут за собой образование черных дыр в Большом адронном коллайдере, не определяют однозначно физику этих черных дыр, поведение которых и степень стабильности могут весьма существенно различаться в зависимости от используемых моделей.
Нынешняя работа основывается на предположении, что микроскопические черные дыры будут "испаряться" сразу же после своего образования, производя взамен "брызги", состоящие из самых разных субатомных частиц обычной материи с аномальным поперечным импульсом. Все это в состоянии детектировать высокоточные датчики CMS, окружающие район столкновения пучков протонов.
Напомним, что сама возможность "испарения" черных дыр, которое может приводить к их полному исчезновению, была предсказана в середине 1970-х годов Стивеном Хокингом. Она открывается благодаря квантовым эффектам — рождению вблизи "горизонта событий" (сферы Шварцшильда в простейшем случае) пар частиц и античастиц, одна из которых не может покинуть пределы черной дыры, а другая, оказавшись снаружи, покидает ее в виде радиации.
Черная дыра, "выплевывающая" частицы в силу законов квантовой хромодинамики, удивительно всеядна (в отличие от "нормальных" частиц, имеющих предпочтительные цепочки распада), но на три четверти ее "отрыжка" должна состоять из кварков и глюонов, а остальное приходится на лептоны, фотоны, W/Z бозоны и, возможно, бозоны Хиггса. При разрушении черных дыр экспериментаторы ожидают зафиксировать спектр черного тела с характерной температурой Хокинга в несколько сотен ГэВ. Впрочем, поведение черных дыр, в принципе, может оказаться и непредсказуемым, хотя вероятность подобного исхода довольно мала.
К сожалению, разные разновидности теории струн подразумевают существование столь многих возможностей, что ряд авторитетных теоретиков давно уже считают ее совершенно бессмысленной математической игрушкой: это ведь одновременно и "теория всего", и "теория ничего". Будем надеяться, что последние данные все же укажут какие-то пути для устранения двусмысленностей теоретических моделей, внеся важные ограничения и добившись приближения этой теории к истине.
В будущем году члены коллаборации CMS надеются собрать гораздо больше данных и полностью исключить создание черных дыр в гигантском коллайдере (который будет вновь запущен в начале 2011 года после небольшой технической паузы).
Согласно этим данным (наиболее полным на нынешний момент), следов появления микроскопических черных дыр внутри коллайдера не зафиксировано. Если говорить точнее, то на возможность появления такого рода экзотических объектов наложено довольно строгое ограничение: если они все-таки и существуют, то их масса должна превышать 3,5-4,5 триллиона электрон-вольт. Если теперь вспомнить, что Большой адронный коллайдер (БАК) был остановлен на зимние каникулы, то в ближайшие месяцы можно спать совершенно спокойно: конца света, вызванного экспериментами физиков-ядерщиков, пока, — если предположения о нестабильности микродыр верны, — ожидать не приходится.
Что же вызывает у людей такое беспокойство? Правомерны ли протесты и судебные иски против ученых-экспериментаторов? Дело в том, что ряд ответвлений популярной среди теоретиков теории струн (или теории суперструн) — варианта объединения общей теории относительности с квантовой механикой — предполагает существование дополнительных свернутых, так называемых компактифицированных измерений во Вселенной. Это означает, что помимо доступных нам в ощущениях трех пространственных координат плюс временной шкалы могут быть еще дополнительные — скрытые — измерения.
Гравитация в такой многомерной Вселенной будет вести себя несколько иначе, чем в прежних гравитационных теориях. Предполагается, что на сверхмалых расстояниях (сопоставимых с размерами "пузырьков" или "петелек" дополнительных свернутых измерений) она может значительно возрастать (становиться сопоставимой с другими тремя основными взаимодействиями, управляющими частицами: электромагнитным, слабым и сильным или ядерным) и способствовать рождению микроскопических черных дыр.
В БАК при рекордных для ускорителей энергиях сталкивающиеся частицы могут иногда создавать крохотные сверхплотные образования, из которых теоретически могут зарождаться нестабильные или стабильные нераспадающиеся черные дыры. Конечно, в космических лучах, приходящих из регионов крупнейших галактических катаклизмов и непрерывно бомбардирующих нашу Землю, можно найти частицы и с гораздо большими энергиями, чем в каком-либо рукотворном ускорителе, но тонкость тут в том, что "инозвездное" сверхплотное вещество, имеющее огромную скорость, может беспрепятственно пронизывать всю планету насквозь и без всякого вреда улетать дальше.
А вот черные дыры, рождающиеся во встречных пучках, будут иметь небольшие скорости, подчиняться земной гравитации, опускаться и накапливаться в центре земного шара, начиная там свою разрушительную деятельность. Так, во всяком случае, выглядит один из самых драматичных сценариев, согласно которому подобные черные дыры могут присоединять к себе и обычное вещество, пока не поглотят его полностью со всеми нашими городами и океанами, физиками и скептиками…
Вряд ли кто-то из читателей не слышал про эти страшилки. При этом ничего принципиально нового "обвинители" БАК, конечно, не изобрели. Еще до запуска Большого адронного коллайдера предсказывали всемирную катастрофу, связанную с экспериментами в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, где в 2000 году вроде бы была получена предсказанная ранее сверхплотная форма материи — кварк-глюонная плазма. А впервые гипотеза об аномальной материи, которая поглотит и преобразует в свое подобие обычное вещество, появилась в связи с никому сейчас уже не памятным ускорителем Бевелак, построенным в 1970-х годах в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Помимо черных дыр с БАК связаны и другие страхи. Так, например, российские теоретики Ирина Арефьева и Игорь Волович из Математического института имени Стеклова в начале 2008 года предсказали появление в момент запуска БАК "кротовых нор" и чуть ли не путешественников из будущего, прибывающих к нам с помощью этих образований. Суть в том, что "кротовые норы" — этакие родственники черных дыр, через которые практически мгновенно можно перемещаться на сверхдальние расстояния. В принципе, они могут действовать как машины времени, позволяющие нарушать причинно-следственные связи. Вопрос о том, возможно ли образование стабильных "кротовых нор", остается открытым, но если сквозь такую "дыру" сможет "протискиваться" хотя бы какая-нибудь информация, то и принципиальная возможность контактов с прошлым и будущим существует.
Неуверенность, с которой ядерщики до сих пор рассуждают на все эти темы, заставляют лишний раз ощутить бессилие человека перед лицом природы, далеко еще не познанной современной наукой. Создатели БАК напоминают о том, что впервые в истории проводится эксперимент с непредсказуемыми последствиями, и, как видим, не отказываются от проверки даже самых безумных предположений.
Для того чтобы допустить появление в БАК стабильных черных дыр, необходимо выйти за рамки обычной теории гравитации. Однако само по себе существование или же несуществование дополнительных измерений еще не подтверждает и не опровергает теорию струн или какую-либо иную теорию. В рамках теории струн можно обходиться без дополнительных измерений, не говоря уже о том, что помимо этой теории есть много вполне корректных с точки зрения современной науки альтернатив, которые предполагают, в частности, и существование дополнительных измерений.
Опять же не все они влекут за собой образование черных дыр в Большом адронном коллайдере, не определяют однозначно физику этих черных дыр, поведение которых и степень стабильности могут весьма существенно различаться в зависимости от используемых моделей.
Нынешняя работа основывается на предположении, что микроскопические черные дыры будут "испаряться" сразу же после своего образования, производя взамен "брызги", состоящие из самых разных субатомных частиц обычной материи с аномальным поперечным импульсом. Все это в состоянии детектировать высокоточные датчики CMS, окружающие район столкновения пучков протонов.
Напомним, что сама возможность "испарения" черных дыр, которое может приводить к их полному исчезновению, была предсказана в середине 1970-х годов Стивеном Хокингом. Она открывается благодаря квантовым эффектам — рождению вблизи "горизонта событий" (сферы Шварцшильда в простейшем случае) пар частиц и античастиц, одна из которых не может покинуть пределы черной дыры, а другая, оказавшись снаружи, покидает ее в виде радиации.
Черная дыра, "выплевывающая" частицы в силу законов квантовой хромодинамики, удивительно всеядна (в отличие от "нормальных" частиц, имеющих предпочтительные цепочки распада), но на три четверти ее "отрыжка" должна состоять из кварков и глюонов, а остальное приходится на лептоны, фотоны, W/Z бозоны и, возможно, бозоны Хиггса. При разрушении черных дыр экспериментаторы ожидают зафиксировать спектр черного тела с характерной температурой Хокинга в несколько сотен ГэВ. Впрочем, поведение черных дыр, в принципе, может оказаться и непредсказуемым, хотя вероятность подобного исхода довольно мала.
К сожалению, разные разновидности теории струн подразумевают существование столь многих возможностей, что ряд авторитетных теоретиков давно уже считают ее совершенно бессмысленной математической игрушкой: это ведь одновременно и "теория всего", и "теория ничего". Будем надеяться, что последние данные все же укажут какие-то пути для устранения двусмысленностей теоретических моделей, внеся важные ограничения и добившись приближения этой теории к истине.
В будущем году члены коллаборации CMS надеются собрать гораздо больше данных и полностью исключить создание черных дыр в гигантском коллайдере (который будет вновь запущен в начале 2011 года после небольшой технической паузы).
Обсуждения Черные дыры в коллайдере