Fyzici v rámci experimentu CMS v urychlovači LHC nenašli žádné známky existence mikroskopických černých děr s hmotností nižší než 3,5 TeV. I když na první pohled se může zdát, že “negativní” výsledek rovná se špatná zpráva, není tomu tak: žádný realistický model existenci miniaturních černých děr na této nízkoenergetické škále nepředpovídal; naopak jeden model, který zákonitě porušuje Einsteinův princip ekvivalence (což mnozí fyzici opravdu neradi vidí), se dostal do úzkých. Výsledky z CMS, co se černých děr týče, fyzici prostě interpretují slovy, že poprvé experimentálně vymezili spodní mez pro hmotnost miniaturních černých děr.

Detektor CMS ve Velkém hadronovém urychlovači sbíral data z proton-protonových srážek od března do října letošního roku. Srážky probíhaly při energii 7 TeV (3,5 TeV na protonový svazek), což je polovina maximálního výkonu, jakého může LHC kdy dosáhnout. Fyzici mj. hledali projevy existence miniaturních černých děr, které by se krátce po svém vzniku měly velice rychle rozpadnout na “obyčejné” částice.

Asi 70 % všech částic vzniklých při rozpadu takové černé díry by měly být kvarky a gluony, zbytek pak fotony, bosony W a Z, leptony a snad i tolik hledané Higgsovy bosony. Žádná z hledaných charakteristik se však při srážkách protonových svazků nenašla. Fyzici mohli pouze říct, že miniaturní černé díry s hmotností kolem 4 TeV skutečně neexistují.

Tento závěr je podpořen dost dobře teorií — černé díry s nízkými hmotnostmi předpovídaly jen takové teoretické modely, které sice mají zajímavé teoretické vlastnosti (často potěší oko teoretického fyzika a matematika), ale našeho vesmíru se přímo netýkají.

Vzniku černých děr, které by snad mohly přerůst experimentátorům přes hlavu, se do určité míry obávala laická veřejnost a o “možné” hrozbě často informovala i média. Ostatně stačí si vzpomenout na aktivisty, kteří LHC hnali k Evropskému soudu pro lidská práva, protože urychlovač jim v budoucnu vyprodukovanou černou dírou upíral právo na život… Střízliví fyzici jasně říkali, že černá díra, která by pohltila svět, v LHC vzniknout nemůže (ti méně poctiví však v zájmu publicity a grantů tvrdili, že černé díry vzniknout mohou). Viz dále článek Utíkejte do hor: Před LHC, černými dírami, podivnůstkami – nebo spíše novináři.

Teorie strun a problém hierarchie

V teorii (super)strun, která kvantovým jazykem popisuje částice hmoty a silových polí jako tenké vibrující struny, vystupují kromě čtyř známých dimenzí (3+čas) ještě další dodatečné rozměry. Teorie říká, že v každém bodě našeho „normálního“ prostoru je stočeno dalších šest malinkých prostůrků do zvláštních tvarů, tzv. Calabiho-Yauových variet (pokud přejdeme do tzv. M-teorie, setkáme se s ještě jednou další, a menší, dimenzí) — právě miniaturní rozměry stočených dimenzí brání fyzikům v tom, aby jejich přítomnost experimentálně ověřili — jejich velikost se pohybuje v řádu Planckovy délky, tedy asi 10^-35 metru.

Nicméně některé teoretické modely uvažují případ, kdy dodatečné dimenze nejsou malé, ale naopak velké – a to snad i dostatečně na to, abychom je mohli detekovat. I když jde o modely dost exotické, některé z nich řeší problém tzv. hierarchie, tedy zajímavé skutečnosti, že gravitační síla je mnohem slabší než ostatní fundamentální síly vesmíru. Například slabá jaderná síla je silnější 10³²krát; analogicky problém hierarchie můžeme formulovat jako otázku, proč je Planckova škála tak odlišná od slabé škály. Někteří fyzici si pohrávají s myšlenkou, že pokud existují velké dodatečné dimenze, Planckova škála je ve skutečnosti slabé škále blíže, což znamená, že gravitace není od přírody tak slabou silou, jak se nám jeví, ale je srovnatelná s ostatními interakcemi.

A důvod, proč se nám zdá slabší, je, že „uniká“ i mimo náš čtyřrozměrný svět do vícerozměrného prostoru, do nějž je náš vesmír vnořen. Tato problematika se studuje v rámci tzv. bránových modelů sestavených pomocí poznatků superstrunové/M-teorie („p-brána“ je označení pro p-rozměrné útvary v M-teorii). Zatímco tedy ostatní pole vystupující ve standardním částicovém modelu jsou „přilepeny“ na naši bránu, na náš vesmír, gravitace může naopak proplouvat do vícerozměrného světa, a nám se pak zdá, že je slabá.

Torus

Při experimentu CMS se kvůli (stále příliš nízké) energetické škále prozkoumával model označovaný jako ADD, který v roce 1998 vytvořili fyzici Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos a Gia Dvali. V něm jsou dodatečné dimenze velké a z matematického hlediska ploché — přesněji řečeno, v modelu vystupuje n dodatečných dimenzí kompaktifikovaných do n-rozměrného toru nebo n-rozměrné koule. Když se budeme nořit do prostorové oblasti uvnitř toru (tedy přejdeme na vzdálenosti menší než poloměr n-rozměrného toru či koule) zjistíme, že gravitace je silnější, než bychom čekali — měli bychom tedy naměřit odchylky od Newtonova zákona převrácených čtverců. [Už proto by počet dodatečných velkých dimenzí měl být větší než 1, jinak bychom odchylky od Newtonova gravitačního zákona museli dávno pozorovat experimentálně (a to na škále naší sluneční soustavy).]

V případě, že velké dodatečné dimenze skutečně existují, a úroveň Planckovy škály se tak posouvá na přirozenější hodnoty srovnatelné se slabou škálou, by při dostupných energiích — při vysokoenergetických srážkách protonových svazků jako teď v LHC — mohly díky fundamentálně silnější gravitační síle vznikat miniaturní černé díry. Ty by se díky kvantovým jevům prakticky okamžitě rozpadly na spršky obyčejných částic s charakteristickým spektrem, což by fyzici měli detekovat.

Teorie hovoří sice poměrně jasně, jenomže experimentálně se žádné projevy existence miniaturních černých děr zachytit nepodařilo.

Interpretce tohoto výsledku mohou být různé, ale z hlediska fyziky tou nejpoctivější z nich je, že experimentálně byly stanoveny spodní hranice pro hmotnost miniaturních černých děr.

Experimentální výsledek vlastně nemá přímý dopad ani na samotný model ADD. Ten je zajímavý z teoretického hlediska, zejména kvůli řešení problému hierarchie (i když ještě zajímavější jsou modely Sundruma a Randallové) –, ale patrně jen málo střízlivých fyziků čekalo objevení černých děr/dodatečných dimenzí při takto nízkých energiích. Někdo by dále mohl namítat, že miniaturní černé díry a dodatečné dimenze lze detekovat až při vyšších energiích i při zachování ADD (popravdě, ADD k tomu není potřeba).

Totiž bezpečně víme, že černé díry s hmotností vyšší než Planckova hmotnost, jež je ekvivalentní energii 10¹⁹ GeV (sic!), existují. To, že se od experimentů s urychlovači budeme muset spoléhat na kosmologická pozorování, je už záležitost jaksi jiná. Každopádně reálné hodnoty energií potřebných na podobné hrátky s černými děrami a prostorovými rozměry pravděpodobně leží v nám stále laboratorně nedosažitelných končinách.

Výsledek ani nijak neovlivňuje závěry nebo předpoklady superstrunové teorie (souběžně publikované výsledky zatím při nižších energiích nepotvrdily ani existenci supersymetrie, ale zrovna v jejím případě je na konečné soudy ještě hodně času). Bránové modely sice používají superstrunovou/M-teorii, ale nejsou to strunové modely. Ty na druhou stranu operují s mikroskopickými černými dírami s minimální hmotností rovnou té Planckové (a s dimenzemi z téže škály).

Sluší se říct, že výsledky z CMS však dost odporují závěrům tzv. stíněné gravitace, kde modely s produkcí černých děr na teraelektronvoltové škále už počítaly (viz článek Svět z černých děr aneb Scénář stíněné gravitace) Co se stíněné gravitace týče, výsledky z CMS jsou vlastně dobrou zprávou pro všechny, kdo mají fyzikální a estetické důvody věřit, že hluboké fyzikální principy platí tak, jak je známe. Totiž stíněná gravitace nekompromisně vede k porušení principu ekvivalence, jenž hraje ústřední roli v obecné teorii relativity. A jak víme, ten dosud byl experimentálně ověřen s velkou přesností.

Detailní vědecký článek o CMS a miniaturních černých dírách:

arXiv:1012.3375v1: Search for Microscopic Black Hole Signatures at the Large Hadron Collider, CMS Collaboration