Черные дыры в коллайдере еще задолго до его запуска стали одной из наиболее популярных тем, поскольку именно с ними связывался ряд популярных «страшилок», сценариев глобальной катастрофы. Сценарии эти возникли не совсем на пустом месте— теории, допускающие возникновение черных дыр, рассматривали и ученые, хотя они предполагали у этого явления совершенно иные последствия, далекие от «конца света».
Внутри коллайдера
Черные дыры и процессы, происходящие при столкновении протонов или ядер атомов свинца в LHC, роднит то, что в обоих случаях речь заходит о состояниях материи, крайне далеких от тех, которые можно наблюдать в обычной жизни, либо по условиям (температуры в сотни миллиардов градусов или плотности в миллионы тонн на сантиметр кубический), либо по масштабам (миллионные доли от миллиардных долей метра), а иногда – и по условиям, и по масштабам.
Источник: CERN Hadron Linacs
Что именно происходит в коллайдере? Вначале из вещества (свинца или водорода) получается плазма, смесь ионов и электронов— простым нагревом до высоких, но вполне «житейских» температур. Далее из нее выделяются ионы, которые направляются в ускорители заряженных частиц (LHC— это не одно ускорительное кольцо длиной 27 км, а целый комплекс), где активно используется важнейшее свойство плазмы: способность взаимодействовать с магнитными и электрическими полями.
Специальные магниты отклоняют пучки в нужную сторону, сжимают их, а электромагнитные излучатели создают поле, заставляющее частицы в пучках набирать скорость. Сто тысяч километров в секунду, двести, двести пятьдесят – и вот уже начинаются эффекты, по обыденным меркам довольно неожиданные.
Источник: CERN
Движущиеся с большой скоростью («большой»— это около скорости света, которая составляет примерно 300 тыс. км/сек.) объекты начинают увеличивать свою энергию не пропорционально квадрату скорости (как, к примеру, автомобиль при разгоне), а намного быстрее. Чем ближе к скорости света, тем тяжелее придавать частицам дополнительные сантиметры в секунду, хотя затрачиваемая на их разгон энергия никуда не девается, она по-прежнему переходит в кинетическую энергию ускоряемого объекта!
Интуитивно это кажется очень странным— скорость увеличилась всего на метр в секунду, а энергия возросла в разы или даже десятки раз! Тем не менее именно так и происходит: причем не только в ускорителях, но и везде, где частицы начинают двигаться с большими скоростями— при росте температуры, которая по определению есть средняя энергия частиц, происходит то же самое. И именно по этой причине мир частиц в ускорителях и мир астрофизики, описывающей процессы в недрах звезд, можно понять только за счет теории относительности.
Протоны или иные частицы, разогнанные почти до скорости света, набирают энергию в миллионы миллионов раз выше их энергии при комнатной температуре— а потом сталкиваются друг с другом. Что опять-таки очень близко к реальным процессам в космических событиях, правда, уже совершенно иного масштаба: нечто подобное процессам в LHC происходило вскоре после Большого взрыва.
- Большой взрыв
-
Откуда ученые знают про то, как появлялась Вселенная? Это было установлено в рамках целого ряда самых разных исследований и наблюдений— свою роль сыграло открытие разбегания далеких галактик, изучение движения звезд вокруг галактического центра, распределение химических элементов внутри светил и многое другое. Подробный рассказ об этом в рамках одной статьи невозможен, однако отдельно подчеркнем то, что теория Большого взрыва основана далеко не на каком-то отдельном факте— реально она построена на совокупности многих разных наблюдений.
Последнее обстоятельство было одним из аргументов (далеко не единственным) в пользу постройки дорогостоящего комплекса: экстремальные условия молодой Вселенной воссоздать каким-то иным образом практически невозможно. Хотя ошибочно было бы считать LHC абсолютно уникальной установкой, до появления которой ученые были совсем лишены возможности заглянуть в далекое прошлое— коллайдер LHC отличается только большей энергией сталкиваемых частиц и плотностью их потока.
Источник: Брукхейвенские национальные лаборатории
Высокая плотность потока частиц приводит к тому, что отдельные протоны из встречных пучков неизбежно сталкиваются друг с другом. Высокая энергия же заставляет их не просто отскочить друг от друга при столкновении, а заставить прореагировать между собой внутренние компоненты протонов. Здесь проявляет себя еще одна категория эффектов, тоже связанных с теорией относительности, срабатывает эффект перехода массы в энергию и обратно.
Строго говоря, в обычной жизни эти эффекты тоже есть. Нагретая печь тяжелее холодной, а включенная лампочка— выключенной. Но лишь на ничтожные доли грамма, которые заметить практически невозможно, в отличие от разницы между покоящимися и летящими с околосветовой скоростью протонами.
<!-- Картинка с идентификатором 38943 не существует -->
Энергия частиц в LHC настолько высока, что при столкновении двух протонов возникает большее число частиц: энергия переходит в массу. Из места столкновения вылетает не два протона, а целая лавина частиц, задерживая которые в детекторах ученые и анализируют сам процесс взаимодействия протонов или ядер атомов свинца. Именно по этим частицам, рожденным за счет высокой энергии пучков, ученые восстанавливают детали столкновения, причем такой подход был предложен и реализован задолго до строительства LHC.
Правда о коллайдере
Рассказ об LHC был неслучаен— без него практически неизбежно абсолютно неверное представление о реальных процессах, которые описаны исследователями из ЦЕРН. Например, очень часто приходится слышать о том, что коллайдер построили исключительно для «воспроизведения Большого взрыва»— хотя по сути речь идет лишь о приближении к тем условиям, в которых Вселенная находилась вскоре после своего возникновения. Ускорители RHIC или "Теватрон" в США делали все то же самое, просто не столь эффективно; коллайдер – это такой же инструмент, как микроскоп или осциллограф, LHC «всего лишь» лучший в своем классе.
Черные дыры при столкновении частиц, согласно некоторым расчетам, могли рождаться и внутри других ускорителей— просто LHC скорее позволил бы найти следы таких черных дыр, подобно тому, как в более сильный микроскоп скорее можно увидеть объекты, способные попасть и под более скромное устройство. Кроме того, стоит отдельно сказать, что цепочка «ускорение частиц— столкновение— наблюдение за результатом»— это не отдельный эксперимент: протоны или ядра атомов в LHC циркулируют постоянно и столкновения тоже идут друг за другом непрерывно, на протяжении многих месяцев!
Откуда там черные дыры?
Что такое черная дыра? В астрофизике так изначально называли объект, плотность которого оказалась настолько велика, что гравитационное поле, порождаемое объектом, перестало выпускать наружу даже свет. Увидеть внутренность черной дыры по этой причине нельзя в принципе, а все частицы, упавшие в нее, никогда не вернутся наружу.
Поскольку в LHC сталкиваются частицы очень высоких энергий, то в ограниченном объеме столкновения плотность энергии на многие порядки превышает плотность энергии в обычных условиях. А так как в теории относительности масса и энергия переходят друг в друга, то в рамках определенных теорий плотность энергии могла бы привести к рождению черной дыры.
Источник: Alain r
Слова «в рамках определенных теорий» выделены неслучайно. Дело в том, что классическая черная дыра, подобная черной дыре на месте погасшей звезды, возникнуть в коллайдере в принципе не может— плотность, создаваемая столкновением протонов, для этого очень мала.
Лишь в рамках определенных допущений рождение черных дыр становится возможным (причем не только в коллайдере, но и в куда более прозаических условиях, например, при поглощении атмосферой космических лучей)— но эти же допущения однозначно предполагают практически мгновенное исчезновение черных дыр.
- Классический порог
-
Расчеты показывают, что однозначно получить черные дыры можно на ускорителях, энергия которых примерно на 15 порядков (то есть в 10 с 15 нулями число раз) превзойдет энергию LHC. Рождение черных дыр при меньших энергиях возможно только в случае, если верны предположения, о которых речь пойдет ниже.
Таким образом, черная дыра в коллайдере могла возникнуть и тут же исчезнуть, оставив на своем месте какие-то обычные частицы, либо не возникнуть вовсе.
Это ставит на всех катастрофических прогнозах жирный крест, но оставляет много места для работы ученых, которым далеко не безразлично, появляются ли черные дыры внутри коллайдера – даже если эти черные дыры живут ничтожно короткое время. Кстати, во избежание путаницы сами ученые употребляют термин «полуклассические черные дыры», подчеркивая то, что эти гипотетические объекты будут отличаться от тех черных дыр, которые изучают астрономы!
Как их искали?
Подробный рассказ про LHC необходим для понимания того, как именно пытались найти черные дыры. Поскольку у ученых есть только данные о разлетевшихся в разные стороны и порожденных столкновением протонов или ядер атомов частицах, то и все выводы приходилось делать именно на основе этих данных.
Процессы с рождением черных дыр, согласно теории, должны были проходить с разлетанием рождающихся частиц во все стороны, а частицы, появляющиеся при простых столкновениях («простых» условно, на самом деле за пределами «чернодырных» сценариев физика крайне разнообразна!), формировали пучки, направленные примерно туда же, куда летели частицы до столкновений.
Кроме того, черные дыры сразу после своего исчезновения должны были порождать большее разнообразие частиц, чем все остальные процессы, и это тоже дало ученым определенные подсказки, позволяющие выделить след гипотетических черных дыр.
Это непростая задача. В LHC постоянно происходит множество столкновений, которые дают самые разные результаты, и если вдруг происходит что-то необычное, редкое событие попросту сливается со всеми остальными.
Экспериментаторы получают многие гигабайты данных, в которых можно найти следы самых разных явлений, но никто не организует специальную серию столкновений только для поиска черных дыр или бозона Хиггса.
Лишние измерения
Как говорится в докладе ЦЕРНа, интерес к возможному рождению черных дыр обусловлен в первую очередь тем, что допускающие такие события теории построены на наличии дополнительных измерений в нашем пространстве.
Измерения, о которых идет речь, можно заметить только на очень маленьких масштабах. Для наглядности такие измерения, называемые специалистами «компактифицированными», можно проиллюстрировать примером трамвайных рельс— для трамвая их можно считать одномерными, так как ни влево-вправо, ни вверх-вниз трамвай маневрировать не может. Однако уже муравей, ползущий по рельсу, может двигаться по поверхности рельса в разные стороны (это как минимум одно измерение), а дефектоскоп путевых рабочих анализирует трехмерную структуру стального проката.
Согласно некоторым теориям, наше пространство тоже содержит «дыры» в другие измерения, которые обычные частицы при обычных же энергиях игнорируют, и лишь при экстремальных значениях плотности энергии могут возникать различные неожиданные эффекты. Черные дыры, будь таковые обнаружены в LHC, были бы существенным аргументом в пользу теории дополнительных измерений.
Но... выделить след черных дыр не удалось. Может быть, они и были, но появлялись слишком редко; однако, скорее всего, при той энергии, до которой LHC разгонял частицы, их попросту не возникало. Теории, предполагающие наличие дополнительных измерений, придется развивать дальше с учетом этих данных, а их сторонники будут придумывать какие-то иные способы проверить свои дальнейшие расчеты. Вполне возможно (по крайней мере, пока никаких данных против этой возможности нет), черные дыры возникают при большей энергии, и их удастся обнаружить в будущем.
