В поисках следов новых миров: исследование столкновений протонов на Большом адронном коллайдере

Автор: Денис Аветисян

Ученые анализировали данные экспериментов на LHC в надежде обнаружить признаки микроскопических черных дыр, струнных шаров и сфалеронов — экзотических объектов, предсказываемых теориями за пределами Стандартной модели.

Наблюдается, что распределения <span class="katex-eq" data-katex-display="false">STS_T</span> и сферичности, рассчитанные для различных моделей чёрных дыр (с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">n=2</span>) и сигналов сфалеронов, отличаются от соответствующих распределений, полученных для смоделированных событий многоструйного QCD-фона, что указывает на возможность их дифференциации. — Наблюдается, что распределения $STS_T$ и сферичности, рассчитанные для различных моделей чёрных дыр (с $n=2$ ) и сигналов сфалеронов, отличаются от соответствующих распределений, полученных для смоделированных событий многоструйного QCD-фона, что указывает на возможность их дифференциации.

Представлен поиск микроскопических черных дыр, струнных шаров и сфалеронов в данных столкновений протонов при энергии √s = 13 ТэВ, полученных детектором CMS.

Несмотря на успех Стандартной модели физики элементарных частиц, остаются вопросы, требующие поиска новой физики за ее пределами. В работе ‘A search for microscopic black holes, string balls, and sphalerons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV’ представлен анализ данных, полученных детектором CMS на Большом адронном коллайдере, направленный на поиск микроскопических черных дыр, струнных шаров и сферионных процессов. Полученные результаты не выявили признаков существования этих явлений, что позволило установить новые ограничения на сечения их образования и исключить массы до 8.4-11.4 ТэВ для черных дыр и струнных шаров. Способны ли будущие эксперименты с более высокой энергией и накопленной светимостью пролить свет на эти экзотические предсказания и расширить наше понимание фундаментальных законов природы?

За пределами Стандартной модели: Иерархия масштабов

Несмотря на впечатляющие успехи в объяснении фундаментальных взаимодействий, Стандартная модель сталкивается с серьезной проблемой — иерархией масштабов. Существующая теория не может логически объяснить, почему электрослабая шкала, определяющая массы частиц, таких как бозон Хиггса, настолько мала по сравнению с планковской шкалой, характеризующей гравитацию и квантовые эффекты в экстремальных условиях. Разница между этими масштабами составляет порядка 10¹⁶, что требует тонкой настройки параметров Стандартной модели для предотвращения чрезмерно больших квантовых поправок. Эта «проблема иерархии» указывает на то, что Стандартная модель является лишь приближением к более полной теории, и побуждает физиков искать новые физические явления, которые могли бы объяснить эту аномалию и обеспечить более естественное объяснение наблюдаемых масс и взаимодействий.

Для решения проблемы иерархии, модели Аддисона-Димкенса (ADD) и Рассама-Шульмана (RS) постулируют существование дополнительных пространственных измерений, скрытых от нашего повседневного восприятия. В рамках этих теорий гравитация, в отличие от других фундаментальных взаимодействий, может распространяться в этих дополнительных измерениях, что приводит к снижению эффективной шкалы Планка и объяснению слабости гравитационного взаимодействия. В результате, на Большом адронном коллайдере (LHC) возможно образование микроскопических чёрных дыр или гравитонов — частиц-переносчиков гравитационного взаимодействия — которые могли бы быть обнаружены как проявление этих дополнительных измерений. Их регистрация стала бы прямым свидетельством существования новой физики за пределами Стандартной модели и подтверждением гипотезы о дополнительных измерениях пространства-времени.

Для обнаружения проявлений новых физических явлений, предсказываемых моделями с дополнительными измерениями, необходимы принципиально новые стратегии поиска. Традиционные методы анализа данных сталкиваются с трудностями в идентификации сигналов, маскируемых стандартными процессами, и требуют разработки инновационных алгоритмов, способных выделять слабые сигналы на фоне шума. Особое внимание уделяется тщательному контролю систематических неопределенностей — ошибок, возникающих не из-за случайных флуктуаций, а из-за неточностей в калибровке детекторов или в моделировании физических процессов. Минимизация этих систематических ошибок — сложная задача, требующая глубокого понимания работы ускорителя и детекторов, а также применения передовых методов статистического анализа. Именно комбинация инновационных стратегий поиска и прецизионного контроля систематических неопределенностей позволит экспериментам на Большом адронном коллайдере либо подтвердить существование дополнительных измерений, либо установить более жесткие ограничения на параметры этих моделей.

Анализ распределений <span class="katex-eq" data-katex-display="false">STS_T</span> в областях VR-FAIL (слева) и VR-PASS (справа) показывает соответствие модели сигнала B1 (красная линия) с параметрами <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M_D = 2</span> ТэВ, <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M_{BH} = 10</span> ТэВ и n=2, при этом заштрихованная серая область отражает статистические и систематические неопределенности в прогнозе фона (желтый гистограмма), а нижние панели демонстрируют отклонения между данными и прогнозом фона, нормированные на общую неопределенность. — Анализ распределений $STS_T$ в областях VR-FAIL (слева) и VR-PASS (справа) показывает соответствие модели сигнала B1 (красная линия) с параметрами $M_D = 2$ ТэВ, $M_{BH} = 10$ ТэВ и n=2, при этом заштрихованная серая область отражает статистические и систематические неопределенности в прогнозе фона (желтый гистограмма), а нижние панели демонстрируют отклонения между данными и прогнозом фона, нормированные на общую неопределенность.

Поиск новой физики на Большом адронном коллайдере

Компактный мюонный солиноид (CMS) является мощным инструментом для исследования физики за пределами Стандартной модели посредством столкновений протонов на высоких энергиях. В ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере детектор CMS собрал данные, соответствующие интегрированной светимости 138 fb⁻¹. Это позволяет проводить статистически значимые поиски новых частиц и явлений, выходящих за рамки существующей теоретической модели. Высокая светимость критически важна для обнаружения редких процессов, предсказываемых различными теориями, выходящими за рамки Стандартной модели, и для точного измерения характеристик обнаруженных частиц.

Поиск новой физики, включая микроскопические чёрные дыры и другие гипотетические частицы, в экспериментах на Большом адронном коллайдере основан на регистрации характерных сигнатур распада. Эти сигнатуры проявляются в виде высокоэнергетических струй адронов (jets) и лептонов. Анализ энергии, импульса и других характеристик этих объектов позволяет отделить события, вызванные новыми частицами, от фонового шума, обусловленного известными процессами Стандартной модели. Высокая энергия столкновений протонов и большая статистическая выборка, достигаемая за счет накопления большой интегрированной светимости, критически важны для обнаружения редких событий, предсказываемых новыми теориями.

Поиск микроскопических чёрных дыр в эксперименте CMS основан на идентификации событий, характеризующихся образованием и распадом этих объектов в протон-протонных столкновениях при энергии 13 ТэВ и накопленной светимости 138 фб⁻¹. Анализ данных позволил установить новые пределы исключения для параметров моделей микроскопических чёрных дыр, расширив их до 11.4 ТэВ. Эти пределы определяются на основе поиска событий с высокой энергией и характерным распределением продуктов распада, что позволяет отделить сигналы от фоновых процессов, обусловленных стандартными взаимодействиями.

Анализ распределений STS\textsubscript{T} и SVM-оценок после отбора событий с S > 0.1 позволяет различить симулированный фон из многоструйных QCD-событий и сигнал чёрной дыры модели B1 с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M_{D}=2</span> ТэВ, <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M_{BH}=10</span> ТэВ и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">n=2</span>. — Анализ распределений STS\textsubscript{T} и SVM-оценок после отбора событий с S > 0.1 позволяет различить симулированный фон из многоструйных QCD-событий и сигнал чёрной дыры модели B1 с $M_{D}=2$ ТэВ, $M_{BH}=10$ ТэВ и $n=2$ .

Уточнение оценки фона

Точная оценка фона является критически важной для интерпретации результатов поиска. Метод инвариантности формы (Shape Invariance Method) использует распределение STS (Simultaneous Template System) для моделирования фоновых процессов. Распределение STS позволяет описывать форму гистограмм фоновых событий, не полагаясь на конкретную параметризацию, что обеспечивает устойчивость к изменениям в характеристиках детектора или особенностям моделирования. Этот подход особенно полезен при анализе данных, где точная форма фона неизвестна или сложно предсказуема, поскольку позволяет эффективно оценивать вероятность наблюдаемых событий, происходящих от фоновых процессов, и тем самым снижать статистическую неопределенность в поиске новых сигналов.

Для повышения чувствительности к целевому сигналу при анализе данных широко используются кинематические переменные, в частности, сферичность (Sphericity). Данная величина характеризует угловое распределение частиц в событии и позволяет отделить события, соответствующие ожидаемому сигналу, от фонового шума. Выбор событий на основе значения сферичности позволяет эффективно подавлять события, не соответствующие ожидаемой топологии сигнала, тем самым увеличивая статистическую значимость наблюдаемого эффекта. Оптимизация критериев отбора по сферичности является важным этапом в процедуре анализа данных и напрямую влияет на точность измерения параметров сигнала.

Для дальнейшего разделения сигналов и фона используются методы машинного обучения, в частности, классификатор опорных векторов (SVM). В данном контексте, SVM использует метрику “Фазового Расстояния” для определения степени отличия события от ожидаемого фона. $Phase Space Distance$ рассчитывается как минимальное расстояние между событием и точками, представляющими фоновые процессы в фазовом пространстве. Чем больше расстояние, тем выше вероятность того, что событие является сигналом. Эффективность SVM напрямую зависит от корректного выбора параметров ядра и обучения на репрезентативной выборке данных, включающей как сигнальные, так и фоновые события.

Анализ распределения <span class="katex-eq" data-katex-display="false">STS_T</span> для случаев <span class="katex-eq" data-katex-display="false">N \geq 4</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">N \geq 7</span> в среде SI-VR показывает соответствие между наблюдаемыми данными (обозначены точками) и прогнозами фоновой модели (красная линия), с учётом погрешности модели (серая полоса), что подтверждается нормализованными расхождениями на нижних графиках. — Анализ распределения $STS_T$ для случаев $N \geq 4$ и $N \geq 7$ в среде SI-VR показывает соответствие между наблюдаемыми данными (обозначены точками) и прогнозами фоновой модели (красная линия), с учётом погрешности модели (серая полоса), что подтверждается нормализованными расхождениями на нижних графиках.

Исследование топологических явлений и за их пределами

Поиски так называемых “струнных шаров”, предсказанных теорией струн, представляют собой важное дополнение к исследованиям микроскопических чёрных дыр. Эти поиски расширяют горизонты поиска новой физики за пределами Стандартной модели, позволяя исследовать альтернативные сценарии формирования и поведения материи на чрезвычайно малых масштабах. В ходе этих исследований удалось установить новые пределы исключения для параметров, характеризующих эти гипотетические объекты, достигнув отметки в 10.7 ТэВ. Данные результаты свидетельствуют о том, что, если струнные шары и существуют, их характеристики должны соответствовать определенным ограничениям, что сужает область возможных моделей и способствует более точному направлению будущих исследований в области физики высоких энергий.

Исследования, направленные на поиск сферионных процессов, позволили глубже проникнуть в структуру электрослабого сектора и выявить нестабильные решения, способные нарушать законы сохранения барионного и лептонного числа. Анализ данных позволил установить наиболее строгие на сегодняшний день ограничения на пре-экспоненциальный фактор сфериона, значение которого составляет 0.0034 при 95% уровне достоверности. Этот результат представляет собой значительное улучшение — в 6.2 раза — по сравнению с предыдущими ограничениями, полученными коллаборацией CMS, и открывает новые возможности для проверки стандартной модели физики элементарных частиц и поиска признаков новой физики, связанных с топологическими свойствами вакуума.

Исследования, направленные на поиск редких процессов в электрослабом секторе, тесно связаны с понятием числа Черна-Симонса — топологической величиной, характеризующей вакуум электрослабого взаимодействия. Это число описывает глобальные свойства вакуума и может меняться в результате квантовых туннельных переходов, приводящих к нестабильным решениям, таким как сфалероны. Изменение числа Черна-Симонса связано с нарушением чисел барионного и лептонного числа, что имеет важное значение для понимания асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Поиск этих процессов позволяет установить ограничения на параметры, определяющие вероятность таких переходов, и углубить понимание фундаментальной структуры электрослабого вакуума. Полученные ограничения на предэкспоненциальный фактор сфалеронов, достигающие значения 0.0034 при 95% доверительном уровне, свидетельствуют о высокой точности современных экспериментов и позволяют существенно улучшить существующие теоретические модели.

Сравнение распределений оценок SVM для симулированных QCD мультиджетов, отобранных моделей BH (с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">n=2</span>) и сфалеронов до (слева) и после (справа) применения требования к сферичности показывает, как этот критерий позволяет отделить сигналы от фона. — Сравнение распределений оценок SVM для симулированных QCD мультиджетов, отобранных моделей BH (с $n=2$ ) и сфалеронов до (слева) и после (справа) применения требования к сферичности показывает, как этот критерий позволяет отделить сигналы от фона.

Исследование, представленное в данной работе, стремится к выявлению явлений, выходящих за рамки Стандартной модели, и, несмотря на отсутствие значимых сигналов микроскопических чёрных дыр, струнных шаров или сфалеронов, представляет собой важный шаг в понимании фундаментальных законов физики. Как заметил Джон Стюарт Милль: «Лучше быть неудовлетворённым человеком, который стремится к истине, чем удовлетворённым невеждой». Подобно тому, как физики постоянно стремятся к более глубокому пониманию Вселенной, не останавливаясь на достигнутом, данное исследование демонстрирует важность постоянного поиска и проверки границ наших знаний, даже если результаты не соответствуют первоначальным ожиданиям. Установление строгих ограничений на производство этих гипотетических частиц также ценно, поскольку оно сужает область поиска и направляет будущие исследования.

Что дальше?

Поиск за пределами Стандартной модели — это, по сути, хроника неудовлетворенности. Каждый отрицательный результат, как и в представленной работе, не является концом пути, а лишь очередным слоем в геологической летописи попыток понять природу реальности. Отсутствие свидетельств микроскопических черных дыр, струнных шаров или сфалеронов не отменяет их возможного существования, а лишь сужает область поиска, требуя от теоретиков более изящных и, возможно, более скромных моделей.

Ограничения, установленные на поперечное сечение этих экзотических объектов, — это не финальные аккорды, а скорее ноты, определяющие дальнейшую мелодию экспериментальных поисков. Необходимо углубляться в детали, анализировать данные с большей точностью, разрабатывать новые методы обнаружения, способные выявить более слабые сигналы. Время, как среда, в которой существуют эти системы, может потребовать иных стратегий поиска.

В конечном счете, задача физики — не просто обнаружить новые частицы или явления, а понять, почему Вселенная устроена именно так, а не иначе. Поиск за пределами Стандартной модели — это не погоня за призраками, а попытка разглядеть структуру самой ткани реальности, и даже отсутствие сигнала — это ценная информация, определяющая направление дальнейших исследований.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2604.10732.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-04-14 10:56