1
Чёрные дыры — свархмассивные объекты, представления о которых возникли в общей теории относительности. Сегодня практически нет сомнений, черные дыры обнаружены во Вселенной. Но в коллайдерной физике понятие микрочёрных дыр возникло в связи с с обсуждаемыми физиками возможными отклонениями от Стандартной модели, представляющей собой основу современного понимания устройства микромира. Одно из таких возможных отклонений — это существование компактных дополнительных измерений пространства-времени, в котором характерный гравитационный масштаб может быть существенно меньше массы Планка. Масса Планка определяется гравитационной постоянной Ньютона в нашем обычном четырехмерном пространсте-времени и играет ключевую роль в общей теории относительности. В пространстве с дополнительными компактными измерениями с существенно меньшим характерным гравитационным масштабом масса чёрных дыр может быть, соответственно, намного меньше масс черных дыр во Вселенной. Это привело к гипотезе, что такие объекты могут существовать в расширениях Стандартной модели, их массы могут находиться в области доступной на современных коллайдерах и, соответственно, их надо искать в коллайдерных экспериментах, особенно на БАК.
Friedrich W. Hehl, Claus Kiefer, Ralph J. K. Metzler (Eds.) Black holes: Theory and observation (Proceedings of the 179th W. E. Heraeus Seminar Held at Bad Honnef, Germany, 18—22 August 1997) / Springer, 1998. Lecture Notes in Physics 514.
P.C.Argyres, S.Dimopoulos and J.March-Russell, «Black holes and submillimeter dimensions», Phys. Lett. B 441, 96 (1998)
S.Dimopoulos and G.L.Landsberg, «Black holes at the LHC», Phys. Rev. Lett. 87, 161602 (2001)
2
Поскольку появилось понятие микрочёрной дыры, то у многих людей возникли опасения, что они родятся на коллайдере, начнут поглощать сначала сам коллайдер, потом Женеву, потом Землю и так далее. Учёные весьма серьёзно отнеслись к этому аспекту. Были проведены специальные исследования, которые показали, что никакой опасности нет. Эти исследования были основаны на том, что на Землю всё время падают космические лучи, и часть из них имеет существенно большую энергию, чем БАК. Можно посчитать, сколько таких частиц упало на нас за время существования Земли, — гораздо больше, чем ожидается столкновений на БАК, однако ничего не случилось. Ничего такого катастрофического не было замечено и на Солнце, которое значительно больше Земли и на которое попало соответственно значительно больше протонов очень больших знергий из космоса.
J.R.Ellis, G.Giudice, M.L.Mangano, I.Tkachev and U.Wiedemann, «Review of the Safety of LHC Collisions», J. Phys. G 35, 115004 (2008)
3
Если энергия столкновения достаточна для того, чтобы появилась микрочёрная дыра, она может родиться, однако, практически мгновенно испаряется. Это испарение будет выглядеть как рождение в одной точке многих кварков и лептонов. Родившиеся кварки высоких энергий дадут струи — потоки коллимированных частиц в одном направлении. Таким образом, ожидается множественное рождение лептонов и струй из точки столкновения. Это весьма необычные события, которое бы указывали на возможное обнаружение микрочёрных дыр. Пока ничего подобного не было найдено, и тем самым были поставлены ограничения на массы и другие параметры таких чёрных дыр. На коллайдере Тэватрон чёрные дыры искались до окончания его работы в сентябре 2011 года. Были получены первые ограничения снизу на массы этих объектов, несколько меньше, чем 1 ТэВ (тераэлектронвольт, 1012 электронвольта). На БАК поиски были продолжены в 2011 году и ведутся в настоящее время. Современные ограничения на массы микрочерных дыр, полученные на БАК, составляют примерно 4-5 ТэВ.
S.Chatrchyan et al. [CMS Collaboration], «Search for microscopic black holes in pp collisions at sqrt (s) = 7 TeV», JHEP {bf 1204}, 061 (2012)
4
Если микрочёрные дыры будут обнаружены, это станет грандиозным открытием, которое будет говорить о том, что наш мир имеет больше измерений, чем три пространственных и одно временное. Дополнительное измерение пространства — очень глубокая идея, которая впервые обсуждалась в начале ХХ века. В частности, она была высказана и проработана в работах Калуцы и Кляйна. Они пытались таким образом объединить гравитацию и электродинамику в единую теорию. Тогда очень быстро стало понятно, что ничего интересного из такой концепции не получалось, потому что предсказывалось, что у всех частиц, известных на то время, должны быть возбужденные состояния с массой порядка массы Планка, которые просто невозможно обнаружить.
Kaluza T. Zum Unitatssproblem in der Physik // Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss.Berlin. (Math. Phys.). 1921. P. 966-972; Klein O. Quantentheorie und funfdimensionale Relativitatstheorie // Zeit. Physik. 1926. V. 37. P. 895-906.
5
Интерес к этой идее то появлялся, то затухал, но настоящий бум произошел в самом конце 80-х годов, когда появилось несколько работ, в которых появилось понятие мембраны — поверхности в многомерном мире, в частности, на которой мы, может быть, живем. Иначе говоря, наш мир трехмерный потому, что это некая поверхность в многомерном мире. В таких вариантах теории появились рассуждения о том, что различные частицы и поля могут жить либо только на мембране, либо во всём пространстве, которое называется «балк». В одной из первых работ предполагалось вот, что все мы живем на мембране, и только гравитация может существовать вовне. В таком сценарии получалось, что гравитация может меняться на малых расстояниях порядка микрона или даже миллиметра. Мы великолепно знаем, что на больших действует гравитационный закон Ньютона и отклонения общей теории относительности, а вот на очень малых расстояниях гравитацию до этого не измеряли. Были поставлены тончайшие эксперименты, которые не обнаружили отклонений.
Arkani-Hamed N., Dimopoulos S., Dvali G. The Hierarchy Problem and New Dimensions at a Millimeter Phys. Lett. B. 1998. V. 429. P. 263-272
6
Позже стало понято, что эти простейшие модели с одной мембраной имеют целых ряд недостатков, и двое американских учёных, Лиза Рэндалл и Раман Сандрум построили модель с двумя мембранами, причем показали, что она может быть точным решением пятимерных уравнений Эйнштейна. Это породило огромный интерес, однако потом выяснились проблемы и этой модели. Затем появилось огромное количество моделей. Само наличие микрочёрных дыр — это модельно независимое предсказание, более-менее общее для всех сценариев дополнительных измерений, а вот детали того, что именно собой представляет микрочёрная дыра, как она рождается, как распадается, зависят от конкретной модели. Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть какой-то сценарий, нужны будут более детальные исследования свойств этого объекта, если он будет обнаружен.
Randall L., Sundrum R. Large Mass Hierarchy from a Small Extra Dimension, Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83. P. 3370-3373.
7
Кстати, предсказания теории с дополнительными измерениями — это не только и даже не столько существование микрочёрных дыр, сколько наличие спектра возбуждений у всех частиц, которые могут распространяться в балке. Обнаружение таких возбужденных состояний, которые называются модами Калуцы-Кляйна, будет одним из первых указаний на то, что существуют дополнительные измерения. Если, конечно, такие состояния существуют в природе, то, возможно, найти их будет проще, чем микрочёрные дыры.
Дополнительным измерениям и их проявлениям на коллайдерах посвящен ряд обзоров, по которым можно более детально ознакомиться с этой областью исследований. См., например:
Рубаков В.А. «Большие и бесконечные дополнительные измерения» // Обзоры актуальных проблем // Успехи физических наук. — 09.15.2001. — Т. 171, N 9. — с. 913-938.
Э. Э. Боос, В. Е. Буничев, И. П. Волобуев, М. Н. Смоляков «Геометрия, физика и феноменология модели Рэнадал-Сундрума», Физика элементарных частиц и атомного ядра (ЭЧАЯ)б т.43, вып. 1, 2012, с. 82-154
