LHC kuantum kara delikler için bir saklanma yerini daha dışladı | ScienceDaily
araştırma kuruluşlarından
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda yapılan yeni bir arama, mikroskobik kuantum kara deliklerine dair hiçbir kanıt bulamadı ve ek boyutları ile kuantum yerçekimini içeren teoriler üzerinde daha sıkı sınırlar getirdi.
California Üniversitesi - Santa Barbara
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı verilerini tarayan fizikçiler, makinenin mikroskobik kuantum kara delikleri ürettiğine dair bir kanıt bulamadı, ancak sonuç bu tür egzotik fiziğin hâlâ saklanabileceği alanı keskin biçimde daraltıyor. Bu varsayımsal kara delikler, ek uzaysal boyutlar yerçekimini son derece küçük ölçeklerde çok daha güçlü kılıyorsa oluşabilir ve uzun süredir aranan kuantum yerçekimi teorisine dair ipuçları sunabilir.
UC Santa Barbara'daki fizikçiler, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC'de mikroskobik kara delik arayışını yeni bir alana taşıdı.
Bu varsayımsal kara delikler son derece küçük ve kısa ömürlü olurdu. LHC'de üretilebilseydiler, varlıkları fizikçilerin uzay-zaman ve yerçekimiyle ilgili en derin yanıtlanmamış sorularından bazılarını ele almasına yardımcı olabilirdi. Arama aynı zamanda araştırmacılara nadir ve daha önce bilinmeyen parçacıkları bulmak için yeni bir teknik test etme fırsatı da verdi.
"Kanıt bulsaydık, kuantum yerçekimini doğrudan incelemeye başlayabilirdik," dedi Compact Muon Solenoid CMS deneyinde araştırmacı olarak çalışan ve çalışmalarını UCSB fizik profesörü Joe Incandela'nın rehberliğinde sürdüren Tamas Vami. "Bu, fizikçilerin bir asırdan uzun süredir hedefi olan tüm bilinen temel kuvvetleri birleştirme yolunda bir adımdır."
Arama kuantum kara deliklerine dair kanıt ortaya çıkarmadı. Ancak parçacık fiziğinde bir şeyi tespit edememek, onun nerede olabileceğinin dışlanması yoluyla hâlâ önemli bilgi sağlayabilir.
"Bu bir çıkmaz değil," dedi Incandela Laboratuvarı doktora sonrası araştırmacısı Danyi Zhang. "Sonuç bir dışlama sınırıdır ve bu gerçek, yayınlanabilir bir ifadedir: 'Bu şey bu özelliklerle var olsaydı, onu görürdük. Görmedik, dolayısıyla burada dışlayabiliriz.' Bu, evrenin nasıl işlediği hakkında gerçek bir bilgidir."
Neden Eksik Kara Delikler Hâlâ Önemli
Temel fizikteki en büyük bilmecelerden biri, deneyimlediğimiz evren ölçeği ile kuantum yerçekimiyle ilişkili temel enerji ölçeği olan Planck ölçeği arasındaki muazzam farkı içeriyor.
Bazı fizikçiler bu farkı açıklamak için yeni fizik veya keşfedilmemiş bir simetri önerdi. Kritik olan, bu etkilerden bazılarının LHC'nin ulaşabildiği enerji seviyelerinde ortaya çıkabilmesidir.
Yıllardır süren deneyler çok sayıda teorik olasılığı zaten eleyerek geçti ve LHC'de yeni fizik işaretlerinin açıkça görülmemesinin sürmesi araştırmacılar için büyük bir zorluk haline geldi. Ancak benzer durumlar daha önce de yaşandı. Mevcut teorilerin gözlemleri açıklamada zorlandığı dönemler bazen Einstein'ın görelilik teorisi de dahil olmak üzere radikal yeni çerçevelere yol açtı.
Bu nedenle araştırmacılar, boş sonuçların bilimsel ilerlemenin önemli bir parçası olduğunu söylüyor. Her biri uygulanabilir olasılıkların sayısını azaltıyor ve gelecekteki deneylerin nereye bakması gerektiğini belirliyor.
Vami ve Zhang'ın sonuçları Progress in High Energy Physics PHEP dergisinde yayımlandı.
LHC Minik Kara Delikler Oluşturabilir mi?
LHC'de kara delik üretme olasılığı yaklaşık yirmi yıl önce ortaya çıktı. Fizikçiler, yeterli enerjinin son derece küçük bir bölgeye yoğunlaştırılması ve ek uzaysal boyutların var olması durumunda, hızlandırıcının ürettiği trilyonlarca proton-proton çarpışması sırasında kuantum kara deliklerinin oluşabileceğini öne sürdü.
Bu nesneler evrende bulunan devasa astrofiziksel kara deliklere hiç benzemeyecekti.
"Çok uzun süre kalmazlardı -- birini oluştursanız hemen parçalanır," dedi kuantum mekaniği ile yerçekimini birleştirmenin paradoksal etkileri konusunda uzman olan ve o dönemde belirli koşullar altında bu minik uzay-zaman boşluklarının var olabileceğini öne süren birkaç bilim insanından biri olan UCSB fizik teorisyeni Steven Giddings.
Bilim insanları ilk kez olasılığı tartıştığında fikir geniş ölçüde yanlış anlaşıldı. Kamuoyundaki endişeler LHC'nin kararlı kara delikler yaratma ihtimaline odaklandı, oysa fizikçilerin ele aldığı kuantum kara delikleri neredeyse anında yok olacaktı.
"İnsanlar kara deliklerin klasik davranışına daha çok odaklandı," dedi Giddings, bütün yıldızları yiyebilen, büyüyebilen, birleşebilen aşırı yerçekimi bölgeleri olan bu devasa uzay-zaman boşluklarına atıfla.
LHC'de üretilmesi varsayılan kara delikler bunun yerine gözlemlenmemiş ek uzaysal boyutların etkileriyle birleşen proton-proton çarpışmalarından ortaya çıkacaktı.
Gizli Boyutlar Yerçekimini Güçlendirebilir
Herhangi bir kara delik oluşturmak büyük miktarda enerjinin son derece küçük bir bölgeye sıkıştırılmasını gerektirir.
"Kara delik yapmak için ne gerekir? İyi, bir miktar enerjiyi gerçekten küçük bir hacme sıkıştırmanız gerekir," diye açıkladı Giddings.
Bu "gerçekten küçük hacim" insanların 3 + 1 boyutlu gerçekliğimizde algılayamayacağı kadar küçük olan iki veya daha fazla varsayımsal uzaysal boyut boyunca uzanabilir.
Bu tür ek boyutlar, yerçekiminin neden diğer temel kuvvetlerden dramatik biçimde daha zayıf olduğu sorusunu soran uzun süredir devam eden hiyerarşi problemine olası bir yanıt olarak önerildi.
Bir olasılık, yerçekiminin görünürde olduğu kadar doğası gereği zayıf olmamasıdır. Bunun yerine gücünün bir kısmı bu ek boyutlara "sızabilir". Bu doğru olsaydı, Planck ölçeği fizikçilerin deneysel olarak ulaşabildiği enerji ölçeklerine çok daha yakın olabilirdi.
"Temelde yerçekimi kuvveti daha kısa mesafelere indikçe daha hızlı güçlenir," dedi Giddings.
Ama daha güçlü yerçekimi tek başına yeterli olmazdı. Bilim insanları aynı zamanda muazzam enerjiyi son derece küçük bir hacme yoğunlaştırmak zorunda kalacaktı.
İşte bu noktada Büyük Hadron Çarpıştırıcısı önem kazanıyor.
Aşırı Enerjilerde Parçacık Çarpıştırması
LHC, protonları muazzam enerjilere hızlandırıp birbirine çarptırıyor. Bu çarpışmalar fizikçilere son derece küçük uzaklık ölçeklerine erişim sağlıyor.
"LHC'de parçacıkları son derece yüksek enerjide çarpıştırıyoruz, bu da minik uzaklık ölçeklerine karşılık geliyor," dedi Incandela. "Mikroskopta olduğu gibi, daha yüksek enerjiler daha küçük dalga boyları anlamına gelir ve daha küçük uzaklıkları araştırmaya olanak tanır."
Araştırmacılar LHC'de bir atomun bir insana oranıyla aynı oranda olan bir atom kadar küçük 10-20 metre ölçeklerini araştırıyor.
"Ek boyutların o kadar küçük olması gerekmiyor," diye devam etti Incandela, "bu da LHC proton-proton çarpışmalarının onlardan etkilenebileceği anlamına geliyor."
Yerçekimi bu ölçeklerde yeterince güçlü hale gelirse ve yeterli enerji son derece küçük bir bölgeye yoğunlaşırsa, uzay-zaman teorik olarak kendi üzerine katlanabilir ve bir kuantum kara deliği üretebilir.
Bu fikirle ilgili güvenlik endişeleri ayrıntılı raporlar ve ultra yüksek enerjili kozmik ışınlarla yapılan karşılaştırmalarla giderildi. Bu doğal olarak oluşan parçacıklar, Dünya'nın üst atmosferine ve diğer gök cisimlerine muazzam enerjilerle çarparak tehlikeli etkiler üretmeden gelmeye devam ediyor.
Bu karşılaştırmalar yüksek enerjili parçacık çarpışmalarının kara delik tehdidi oluşturmadığını gösterdi. Önerilen modeller altında üretilen herhangi bir kuantum kara deliği esasen hemen buharlaşır.
Yine de son derece kısa varoluşları, bozunmaları sırasında üretilen parçacıklarda saptanabilir izler bırakabilir.
ATLAS ve CMS deneyleri tarafından daha önce yapılan aramalar böyle bir kanıt bulamadı, ancak bu çalışmalar çok daha küçük veri kümelerine sahipti.
Şimdi çok daha fazla çarpışma verisi mevcut olduğundan araştırmacılar daha yüksek enerjilerde arama yapabilir ve eğer böyle olaylar gerçekleşiyorsa son derece nadir bir kuantum kara deliği olayı görme şanslarını artırabilir.
Kuantum Fiziği Yerçekimiyle Buluştuğunda
Arama nihayetinde modern fiziğin en büyük çözülmemiş problemlerinden biriyle bağlantılı.
"Doğayı tanımlayan iki büyük teorimiz var," dedi Tamas Vami. "Küçük şeyleri tanımlamak istiyorsanız kuantum alan teorisine gidersiniz. Tüm parçacıkları tanımlamak için Standart Model'e sahibiz ve pratikte son derece iyi çalışır. Ve çok çok büyük olduğunuzda genel görelilik, büyük ve kütleli nesnelerin nasıl davrandığını tanımlar."
Fizikçiler on yıllardır bu çerçeveleri tek bir doğa tanımında birleştirmeye çalışıyor.
Zorluk, kuantum fiziğinin genellikle son derece küçük nesneleri tanımlaması, genel göreliliğin ise çok kütleli olanlar için en önemli hale gelmesidir.
Hedef, iki teoriyi tek bir birleşik teoride birleştirmektir, Vami dedi, "ve bunu yapmak gerçekten zordur çünkü gerçekten minik ama aynı zamanda son derece ağır bir duruma pek rastlanmaz."
Mikroskobik kara delikler tam olarak bu kombinasyonu sağlayabilir. Kuantum etkilerinin önemli hale geleceği kadar küçük olurlar ve aynı zamanda yerçekiminin önemli olacağı kadar kütle ve enerji yoğunlaştırırlar.
Kara Deliğin İmzasını Aramak
Araştırmacılar 2016 ile 2018 arasında toplanan CMS dedektörü verilerini analiz etti ve kuantum kara deliklerine dair kanıt aramak için iki yaklaşım kullandı.
Biri sphericity adı verilen bir özellikti.
"Kara delik oluşturursunuz ve hemen parçalanır. Ama çok küresel bir bozunma imzası vardır, her yöne giden çok şey olur."
Bir diğer ipucu ise bir çarpışma tarafından üretilen parçacıklarda olağandışı derecede büyük bir enerji miktarı olurdu.
"Kara deliklerin çok yüksek enerjili olduğunu biliyoruz," dedi Danyi Zhang. "Dolayısıyla temel olarak çarpışmada oluşturulan ne olursa olsun bozunma ürünleri olan bu parçacıkların enerjisini alıp topluyoruz. Ve toplam yeterince büyükse, sinyalin bulunması muhtemel bölgenin bu olduğunu söyleyebiliriz."
Bu olağandışı olay kalıpları aynı zamanda UCSB parçacık teorisyeni Nathaniel Craig ve iş arkadaşlarının geliştirdiği faz uzayı mesafesi olarak bilinen yeni bir analitik yöntemi kullanma fırsatı da sağladı.
Yöntem, araştırmacıların olası sinyal olaylarını geleneksel yüksek enerjili parçacık çarpışmalarının muazzam arka planından ayırt etmesine yardımcı olan Destek Vektör Makinesi adı verilen bir makine öğrenmesi sistemi ile çalışır.
Parçacık fiziğinde faz uzayı, bir parçacık sisteminin tanımına uzay, zaman, enerji ve momentum gibi özellikleri dahil eden çok boyutlu matematiksel bir temsildir.
Makine Öğrenmesi Aramaya Katılıyor
"Olaylar arasındaki faz uzayı fikrini geliştirdik, bu SVM ile birleştirilerek aramaya yardımcı olabilir," dedi Craig.
Yöntem, olaylar arasındaki mesafeleri tek bir ölçüm olan SVM skoru haline dönüştürür. Daha büyük skorlara sahip olaylar, bilim insanlarının aradığı sinyale daha çok benzer.
Bu çalışma, faz uzayı mesafesi yönteminin parçacık fiziği veri analizinde kullanıldığı ilk kez oldu.
"Faz uzayı mesafesini sphericity değişkeniyle karşılaştırdık ve sonuç faz uzayı mesafesinin sphericity'den daha iyi performans gösterdiği oldu," dedi Zhang.
Yaklaşım aynı zamanda bazı "kara kutu" makine öğrenmesi sistemlerinden de farklıdır çünkü denetimlidir. Araştırmacılar, sonucu açıklanmamış bir çıktı olarak kabul etmek yerine, sonucu üreten matematiği inceleyebilir.
Kuantum Kara Deliklerinde Yeni Sınırlar
Arama sonuçta kuantum kara deliği üretimine dair hiçbir kanıt bulamadı.
İncelenen teorik modellere göre sonuç, kuantum kara deliklerinin yaklaşık 12 TeV Tera-elektron volt'a kadar olası olmadığını gösteriyor. Aynı zamanda ek uzaysal boyutları içeren belirli teorileri de kısıtlıyor.
Bu kısıtlamalar bilimsel açıdan değerlidir çünkü bu teorik modellerin çalışabileceği aralığın kısımlarını ortadan kaldırırlar.
Örneğin sicim teorisi toplamda 10 boyut varsayar.
"Ama bu ölçümler, ele aldığımız teorilerin parametrelerini varsayarsak, ikiden fazla boyuta sahip olamayacağınızı söylüyor," dedi Vami.
"Teoriler tek kesin bir yanıt öngörmez," diye ekledi Zhang. "Bir parçacığın saklanabileceği bir dizi yer öngörürler. Her arama bu aralığın bir kısmını temizler ve 'burada değil' der ve zamanla yeni fiziğin hâlâ olabileceği yerlerin haritası küçülür."
Bu eleme süreci parçacık fiziğinde tekrar tekrar önemli bir rol oynadı. Higgs bozonu 2012'de keşfedildi, ancak on yıllar süren deneyler bir enerji bölgesini bir diğerinin ardından dışladıktan sonra.
Olasılıkları ortadan kaldırarak fizikçiler teorilerini geliştirebilir, yeni modeller tasarlayabilir ve daha iyi deneyler ve dedektörler geliştirebilir.
Zayıf Yerçekiminin Gizemi Hâlâ Devam Ediyor
Şimdilik hiyerarşi problemi hâlâ çözülmemiş durumda.
Ek boyutlar olmadan Giddings, en küçük kara delikleri bile üretmek için parçacık çarpışmalarının LHC'de şu anda elde edilenden yaklaşık bir milyon milyar kat daha fazla enerjiye ulaşması gerektiğini tahmin ediyor, bu kara deliklerin kütleleri mikrogramlarla ölçülecekti.
