Vědci z Kalifornie hledají v LHC stopy mikroskopických černých děr

Fyzikové z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře rozšířili hledání důkazů o existenci mikroskopických černých děr, které by mohly vznikat při srážkách částic ve Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERN. Cílem výzkumu je přispět k řešení dlouhotrvajících anomálií v chápání základní struktury časoprostoru, které současná fyzika zatím nedokáže uspokojivě vysvětlit.

LHC, největší a nejvýkonnější urychlovač částic na světě, umožňuje vědcům srážet protony při energiích, jaké se v přírodě běžně nevyskytují. Právě při těchto extrémních srážkách by podle některých teoretických modelů mohly vznikat nepatrné, okamžitě se rozpadající černé díry – objekty natolik malé, že by neměly nic společného s astrofyzikálními černými děrami, jaké známe z vesmíru, ale mohly by potvrdit existenci dodatečných rozměrů prostoru, které klasická čtyřrozměrná fyzika nezná.

Tým z UC Santa Barbara přišel s novou metodou hledání nových částic, která rozšiřuje dosavadní přístupy k analýze dat z LHC. Podstatou nové metody je citlivější detekce signálů, které by mohly odpovídat rozpadu mikroskopických černých děr, jež by se navenek projevovaly jako neobvyklé rozdělení energie a částic vznikajících po srážce protonů. Taková pozorování by byla v rozporu s předpověďmi standardního modelu částicové fyziky, který dosud popisuje většinu známých jevů v mikrosvětě, ale nedokáže vysvětlit některé zásadní otázky, například proč je gravitace o tolik řádů slabší než ostatní základní síly.

Právě tato takzvaná hierarchie sil patří mezi anomálie, které vědce vedou k úvahám o existenci skrytých rozměrů vesmíru. Pokud by se totiž gravitace ve skutečnosti rozptylovala i do dalších, dosud nepozorovaných dimenzí, mohlo by to vysvětlit, proč se nám jeví tak slabá ve srovnání s elektromagnetickou nebo jadernými silami. Existence mikroskopických černých děr při energiích dosažitelných na LHC by byla jedním z možných důkazů, že takové dodatečné rozměry skutečně existují.

Vědci zdůrazňují, že jde o hledání extrémně vzácných a těžko odhalitelných signálů. Naprostá většina srážek v LHC produkuje jevy, které lze plně vysvětlit v rámci standardního modelu, a případné stopy po mikroskopických černých dírách by se musely odlišit od rozsáhlého pozadí běžných částicových interakcí. Nová metoda proto klade důraz na zpřesnění statistických nástrojů a algoritmů, které dokážou odlišit potenciálně nový fyzikální jev od šumu způsobeného známými procesy.

Hledání mikroskopických černých děr není v částicové fyzice novým tématem – teoretické práce naznačující jejich možnou existenci na urychlovačích se objevily již v souvislosti se spuštěním LHC. Dosavadní experimenty však žádné přesvědčivé důkazy nepřinesly, což ovšem podle vědců neznamená, že by taková možnost byla vyloučena. Spíše to ukazuje, že dosavadní citlivost detekčních metod nemusela být dostatečná, nebo že mikroskopické černé díry vznikají při energiích, které jsou na hranici současných možností urychlovače.

Tým z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře svým přístupem navazuje na dlouhodobou snahu fyziků porozumět otevřeným otázkám kosmologie a fyziky elementárních částic, mezi něž patří kromě zmíněné hierarchie sil také povaha temné hmoty a temné energie nebo sjednocení gravitace s kvantovou mechanikou. Případný objev mikroskopických černých děr by měl dalekosáhlý význam nejen pro teorii dodatečných rozměrů, ale i pro obecnější pochopení toho, jak je časoprostor na nejmenších měřítkách strukturován.

Výzkum zatím probíhá na úrovni analýzy dat a vývoje nových metod, konkrétní výsledky měření zatím nebyly publikovány. Vědci nicméně věří, že zdokonalené techniky detekce mohou v budoucnu zvýšit šanci na zachycení případných anomálií, které by mohly signalizovat existenci jevů přesahujících rámec standardního modelu. LHC přitom nadále slouží jako klíčové zařízení pro testování nejrůznějších teoretických předpovědí, a to i těch, které by mohly zásadně změnit současné chápání vesmíru.