Мини черни дупки

Мини черните дупки са интересни хипотетични обекти. Още никой не ги е наблюдавал, но активно се търсят на колайдерите – преди на Теватрон, а сега на Големия адронен колайдер.

Черните дупки са свръхмасивни обекти, представите за които са възникнали в общата теория на относителността. Днес практически няма съмнения, че черните дупки съществуват във Вселената. Но в колайдерната физика са възможни отклонения от Стандартния модел, представляващи основа за съвременното разбиране на устройството на микросвета.

Едно от тези възможни отклонения е съществуването на компактни допълнителни измерения на пространство-времето, в които характерните гравитационни мащаби може да са съществено по-малки от масата на Планк. Масата на Планк се определя от гравитационната константа на Нютон за нашето четириизмерно пространство-време и играе ключова роля в общата теория на относителността.

В пространство с допълнителни компактни измерения със съществено по-малки характерни гравитационни мащаби масата на черните дупки може да е съответно много по-малка от масата на черните дупки във Вселената. Това е довело до хипотезата, че такива обекти може да съществуват в разширенията на Стандартния модел, тяхната маса може да се намира в областта, достъпна за съвременните колайдери, и съответно те трябва да се търсят в експериментите, особено на Големия адронен колайдер.

Тъй като се появи понятието мини черни дупки, то много хора имаха опасения, че те ще се родят на колайдера, ще започнат да поглъщат отначало самия колайдер, след това Женева, после Земята и т.н. Учените доста сериозно се отнесоха към този аспект. Бяха проведени специални изследвания, които показаха, че няма никаква опасност. Тези изследвания се основаваха на това, че върху Земята през цялото време падат космически лъчи и част от тях имат съществено по-голяма енергия, отколкото Големия адронен колайдер.

Може да се изчисли колко такива частици са попаднали върху нас за времето на съществуването на Земята – много повече, отколкото се очаква от сблъсъците на Големия адронен колайдер, но нищо не се е случило. Нищо толкова катастрофално не е забелязано и на Слънцето, което е значително по-голямо от Земята и върху което попадат съответно значително повече протони с много големи енергии от Космоса.

Ако енергията на сблъсъците е достатъчна, за да се появи мини черна дупка, тя може да се роди, но практически веднага ще се изпари. Това изпарение ще изглежда като раждането в една точка на много кварки и лептони. Родилите се кварки с висока енергия дават струи – потоци частици в една посока. Така се очаква множествено раждане на лептони и струи от точката на сблъсъка.

Това е доста необичайно събитие, което би посочило възможното откриване на мини черни дупки. Засега нищо подобно не е открито и затова са поставени ограничения на масата и другите параметри на такива черни дупки. На колайдера Теватрон черните дупки са търсени до приключването на работата му през септември 2011 г.

Получени са нови ограничения на масата на тези обекти в сравнение с преди – малко по-малко от 1 TeV (тераелектронволт, 1012 електронволта). На Големия адронен колайдер търсенето е продължено същата година и се провежда и до днес. Съвременните ограничения на масата на мини черните дупки, получени на Големия адронен колайдер, са около 4,5 TeV.

Ако мини черните дупки бъдат открити, това ще говори за това, че нашият свят има повече измерения от общоприетите три пространствени и едно времево. Допълнително измерение на пространството е много дълбока идея, която за първи път е обсъждана в началото на ХХ век.

В частност тя е изказана и проработена от Теодор Калуца и Оскар Клайн. Те са се опитали по такъв начин да обединят гравитацията и електродинамиката в една теория. Тогава много бързо станало ясно, че нищо интересно няма да се получи от такава концепция, затова е предсказано, че всички частици, известни до този момент, във възбудени състояния трябва да с маса от порядъка на масата на Планк, което е просто невъзможно да се открие.

Интересът към тази идея ту се появявал, ту затихвал, но истинският бум бил в самия край на 80-те години с няколко работи, в които се появило понятието „мембрана” – повърхности в многоизмерния свят, и в частност, на която ние може би живеем. Иначе казано, нашият свят е триизмерен, защото това е някаква повърхност в многоизмерния свят.

В такива варианти на теориите се появиха разсъждения, че различните частици и полета може да живеят или само в мембрана, или в цялото пространство. В една от първите работи се предполагаше, че ние живеем в мембрана и само гравитацията може да съществува отвън. В такъв сценарий се получаваше, че гравитацията може да се мени на малки разстояния от порядъка на микрон или дори милиметър. Ние великолепно знаем, че на големи разстояния действа гравитационният закон на Нютон и отклоненията от общата теория на относителността, но на много малки разстояния гравитацията не е измервана. Проведени са точни експерименти, които не са открили отклонения.

След това стана ясно, че тези прости модели с една мембрана имат цяла редица недостатъци и двама американски учени – Лиза Рандал и Раман Сандрум, са построили модел с две мембрани и са показали, че той може да бъде точно решение на петмерните уравнения на Айнщайн. Това породи огромен интерес, но след това се изясниха проблемите и на този модел. А после се появиха много модели.

Самото наличие на микрочерни дупки е моделно независимо предсказание, малко или много общо за всички сценарии за допълнителни измерения, а детайлите за това какво всъщност представлява мини черната дупка, как се ражда тя и как се разпада зависят от конкретния модел. За да се потвърди или опровергае даден сценарий, са необходими по-детайлни изследвания на свойствата на този обект, ако той бъде открит.

Разбира се, предсказанията на теориите с допълнителни измерения е не само и не толкова съществуването на мини черните дупки, колкото наличието на спектър на възбуждане на всички частици, които могат да се разпространяват в пространството. Откриването на такива възбудени състояния, които се наричат моди на Калуца-Клайн, ще бъде едно от първите указания, че съществуват допълнителни измерения. Ако, разбира се, такива състояния съществуват в природата, то е възможно те да може да се открият по-лесно от мини черните дупки.

Едуард Боос,

доктор на физико-математическите науки, професор от Физическия факултет на Московския държавен университет, завеждащ отдела по експериментална физика на високите енергии