A fizikusok tovább keresik a kvantumgravitáció egyik legkülönösebb nyomát
Amikor fekete lyukakról beszélünk, általában több naptömegnyi anyagot összesűrítő csillagmaradványokra vagy galaxisok középpontjában rejtőző, több millió vagy milliárd naptömegű óriásokra gondolunk. A CERN Nagy Hadronütköztetőjében, az LHC-ben azonban a fizikusok egészen másfajta fekete lyukakat keresnek. Olyan elképzelt objektumokat, amelyek kisebbek lennének egy atomnál, mindössze elképesztően rövid ideig léteznének, majd részecskék záporává bomlanának. Ha valaha sikerülne megtalálni őket, az nem egyszerűen egy új részecske felfedezését jelentené: közvetlen bepillantást nyerhetnénk abba a tartományba, ahol a kvantummechanika és a gravitáció egyszerre válik fontossá.
Ez a modern fizika egyik legnagyobb megoldatlan problémája. A természetet jelenleg két rendkívül sikeres, ugyanakkor nagyon különböző elméleti rendszerrel írjuk le. A kvantummechanikára és a kvantumtérelméletre épülő Standard Modell az elemi részecskék és három alapvető kölcsönhatás – az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatás – működését írja le rendkívüli pontossággal. Einstein általános relativitáselmélete ezzel szemben a gravitációt a téridő geometriájaként kezeli, és a bolygók mozgásától a fekete lyukakon át az egész Világegyetem fejlődéséig kiválóan működik.
A probléma akkor kezdődik, amikor olyan rendszereket próbálunk leírni, amelyek egyszerre rendkívül kicsik és rendkívül nagy energiasűrűségűek. Egy fekete lyuk belseje vagy a Világegyetem legkorábbi pillanatai ilyen környezetet jelenthetnek. Ilyenkor már mind a kvantummechanikára, mind a gravitációra szükség lenne, de a két jelenlegi elméletet nem tudjuk egyszerűen összeilleszteni. Ezért keresik évtizedek óta a fizikusok a kvantumgravitáció elméletét.
A mikroszkopikus fekete lyukak éppen azért izgalmasak, mert egyetlen objektumban találkozna az a két szélsőség, amelyet ma külön-külön tudunk jól leírni: valami egyszerre lenne elképesztően kicsi és óriási energiasűrűségű. Csakhogy van egy komoly akadály. A hagyományos négydimenziós fizikában – három térdimenzióval és egy idődimenzióval – a gravitáció annyira gyenge, hogy egy részecskegyorsító energiája messze nem elegendő fekete lyuk létrehozásához. A természetes kvantumgravitációs energiatartományt általában a Planck-skálához kötjük, amely nagyságrendekkel meghaladja az LHC lehetőségeit.
Bizonyos elméletek szerint azonban elképzelhető egy kerülőút.
Ezek az elméletek további, számunkra közvetlenül nem érzékelhető térdimenziók létezését feltételezik. A három megszokott térirány mellett további dimenziók lehetnek „felcsavarodva” olyan apró méretekre, hogy hétköznapi körülmények között egyszerűen nem vesszük észre őket. Egyes modellekben a gravitáció ezekbe az extra dimenziókba is kiterjedhet. Innen nézve az általunk tapasztalt gravitáció csak a teljes kölcsönhatás egy része lenne, ami magyarázatot adhatna arra is, miért tűnik a gravitáció hihetetlenül gyengének a többi alapvető kölcsönhatáshoz képest. Egy kis hűtőmágnes például képes felemelni egy fémdarabot a teljes Föld gravitációs vonzásával szemben. Ez jól érzékelteti, milyen hatalmas különbségről beszélünk. Ha viszont a gravitáció nagyon kis távolságokon az extra dimenziók miatt lényegesen erősebbé válna, akkor a kvantumgravitáció energiatartománya is sokkal alacsonyabbra kerülhetne. Ekkor elméletileg már az LHC protonütközéseiben is elegendő energia sűrűsödhetne rendkívül kis térfogatba ahhoz, hogy létrejöjjön egy mikroszkopikus fekete lyuk.
Ez azonban nem olyan fekete lyuk lenne, amely elkezdené magába szívni a környezetét. Az ilyen objektumok egyes modellek szerint körülbelül 10⁻²⁷ másodperc alatt elbomlanának.
Ez a másodperc milliárdod részének milliárdod részénél is sok milliárdszor rövidebb idő. Gyakorlatilag ugyanabban a pillanatban megszűnnének, amikor létrejöttek. A detektorok ezért magát a fekete lyukat nem is látnák. A bomlástermékeit kellene megfigyelniük.
Az LHC szerepe ebben a kutatásban itt felértékelődik. A protonok közel fénysebességgel ütköznek egymással, és az ütközési pontból különféle részecskék repülnek ki. Ha egy mikroszkopikus fekete lyuk keletkezne, majd azonnal elbomlana, a modellek szerint szokatlanul sok, nagy energiájú részecske jelenhetne meg közel gömbszimmetrikus eloszlásban. Kvarkokból kialakuló részecskezáporok, úgynevezett jetek, valamint leptonok és más részecskék sokasága árulkodhatna arról, hogy az ütközésben valami egészen szokatlan történt.
A CMS kísérlet kutatói ezért nem egy apró fekete pontot próbálnak megkeresni a detektor képein. Több milliárd ütközést elemeznek, és azt vizsgálják, található-e közöttük olyan esemény, amelynek teljes energiája, részecskeszáma és geometriai szerkezete megfelelne egy mikroszkopikus fekete lyuk bomlásának.
A legújabb vizsgálatokhoz már gépi tanulási módszereket is alkalmaztak. A kutatók az eseményeket többdimenziós matematikai térben hasonlították össze, és olyan algoritmusokat használtak, amelyek képesek a Standard Modell által előre jelzett megszokott ütközések és egy feltételezett új fizikai jelenség közötti rendkívül finom különbségeket is keresni. Eddig azonban nem találtak mikroszkopikus fekete lyukat.
Ez azonban tudományos szempontból egyáltalán nem számít kudarcnak. Egy sikertelen keresés ugyanis pontosan megmutatja, milyen tulajdonságú objektumok nem létezhetnek – legalábbis olyan gyakorisággal, ahogyan az adott elmélet megjósolná őket. A CMS egyik legújabb elemzése a vizsgált modellektől függően nagyjából 9–11,4 TeV alatti tömegtartományban zárta ki a keresett mikroszkopikus fekete lyukak létezését, és több extra dimenziós modell számára is jelentősen leszűkítette a lehetséges paraméterteret. A fizikusok tehát egyre kisebb területet hagynak az új fizikának, ahol még elrejtőzhet.
Ennek nagy jelentősége van. Az elméleti fizika ugyanis rengeteg olyan modellt képes felépíteni, amelyek matematikailag működnek, de nem biztos, hogy a természet valóban ezeket használja. A kísérletek feladata éppen az, hogy ezek közül minél többet kizárjanak. Minden olyan tartomány, ahol valamit kerestünk és nem találtunk meg, szűkíti a lehetséges válaszok körét.
Ha egyszer mégis megjelenne egy ilyen jel az LHC adataiban, annak következményei rendkívül messzire vezetnének. A mikroszkopikus fekete lyukak létezése bizonyítékot szolgáltathatna arra, hogy a térnek a három ismert irányon kívül további dimenziói vannak. Egyben lehetőséget adna arra is, hogy laboratóriumban tanulmányozzuk a gravitáció kvantumos viselkedését. Ez pedig fontos lépés lenne egy olyan átfogóbb elmélet felé, amelyben a gravitáció és a kvantumfizika ugyanannak a fizikai rendszernek a részeként jelenik meg. A népszerű megfogalmazás ezt gyakran „mindenség elméletének” nevezi, de egy mikroszkopikus fekete lyuk felfedezése természetesen nem jelentené azt, hogy másnap már rendelkezésünkre állna a Világegyetem végleges egyenlete. Sokkal inkább egy új kísérleti ablak nyílna egy olyan tartományra, amelyet ma szinte kizárólag matematikai elméleteken keresztül ismerünk.
A kvantumgravitációval kapcsolatos elképzelések jelentős részét azért nehéz ellenőrizni, mert az általuk leírt jelenségek olyan extrém energiákon vagy olyan parányi méretskálákon történnek, amelyeket közvetlenül nem tudunk elérni. Egy LHC-ben létrejövő mikroszkopikus fekete lyuk ezzel szemben szó szerint laboratóriumi kvantumgravitációt jelentene: néhány méterre a kutatók számítógépeitől olyan folyamat zajlana le, amelyben a téridő geometriája és a kvantummechanika elválaszthatatlanul összekapcsolódik. A keresés ezért folytatódik. Az LHC Run 3 során egyre több adat gyűlik, később pedig a High-Luminosity LHC lényegesen nagyobb ütközésszámot biztosít majd. Ettől nem feltétlenül nő meg az egyes ütközések energiája drámai módon, de sokkal több esély lesz egy rendkívül ritka esemény elcsípésére.
Lehetséges, hogy mikroszkopikus fekete lyukakat soha nem találunk. Ebben az esetben az extra dimenziókra és az alacsony energián megjelenő kvantumgravitációra épülő modellek mozgástere egyre szűkebb lesz. De az is elképzelhető, hogy egy napon a több milliárd teljesen hétköznapi protonütközés között megjelenik egy esemény, amelyet a Standard Modell már nem tud megmagyarázni. Ha pedig annak nyomai valóban egy rövid életű kvantum-fekete lyukhoz vezetnek, az nemcsak egy új objektum felfedezését jelentené. Azt mutatná, hogy az általunk ismert háromdimenziós tér talán csak egy nagyobb szerkezet része – és először lenne közvetlen kísérleti fogódzónk ahhoz, hogyan működik a gravitáció a kvantumvilág legmélyén.
Források:
CERN – Extra dimensions, gravitons and tiny black holes
CMS Collaboration – Are there quantum black holes that evaporate instantly
CMS – Detecting extra dimensions
Space.com – Large Hadron Collider is still on the hunt for short-lived quantum black holes and a theory of everything
