Μικροσκοπικές μαύρες τρύπες και επιπλέον διαστάσεις. Extra dimensions, gravitons, and tiny black holes

Έχει ο χωροχρόνος πράγματι 4 διαστάσεις; Είναι η βαρύτητα ισχυρότερη απ’ ότι νομίζουμε; Does space-time really have four dimensions? Is gravity stronger than people think?

Για πολύ καιρό οι φυσικοί υπέθεταν ότι ο χωροχρόνος έχει συνολικά 4 διαστάσεις – μια χρονική συν τρεις χωρικές – σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις μας. Ωστόσο, αρκετοί θεωρητικοί έχουν υποστηρίξει την ύπαρξη περισσότερων χωρικών διαστάσεων, τις οποίες όμως δεν αισθανόμαστε στην καθημερινή μας ζωή. Δεν τις αντιλαμβανόμαστε είτε γιατί είμαστε παγιδευμένοι σε κάποιο είδος «επιφάνειας» υπερχώρου είτε γιατί μπορεί οι επιπλέον διαστάσεις να είναι πολύ μικρές και «κλείνονται» στον εαυτό τους. Κανείς δεν ξέρει στ’ αλήθεια.

Αλλά γιατί οι θεωρητικοί φυσικοί προτείνουν κάτι τέτοιο; Η απάντηση συνδέεται με ένα άλλο ερώτημα που βασανίζει τους φυσικούς: Γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής δύναμη;

Αυτή η σύνδεση ακούγεται κάπως περίεργη δεδομένου ότι η βαρύτητα στην καθημερινή μας ζωή μάλλον φαίνεται να είναι αρκετά ισχυρή, π.χ. όταν σηκώνουμε βαριά αντικείμενα. Όμως οι φυσικοί όταν λένε ότι η βαρύτητα είναι πολύ ασθενής δύναμη, εννοούν τη βαρυτική δύναμη σε σύγκριση με τα άλλα είδη δυνάμεων που υπάρχουν στη φύση, π.χ. τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Για παράδειγμα, η δύναμη αλληλεπίδρασης ενός μικρού μαγνήτη με την πόρτα του ψυγείου σας είναι πάρα πολύ ισχυρότερη από μια αντίστοιχη βαρυτική έλξη.

Οι θεωρητικοί προσπαθώντας να κατανοήσουν αυτό το πρόβλημα βρήκαν μια (πιθανή) λύση η οποία απαιτεί επιπλέον διαστάσεις.

Αν υπήρχαν δυο ή περισσότερες επιπλέον χωρικές διαστάσεις, τότε η βαρύτητα θα μπορούσε να είναι το ίδιο ισχυρή με τις υπόλοιπες δυνάμεις. Tα βαρυτόνια (τα σωματίδια διαμέσου των οποίων διαδίδεται η βαρυτική δύναμη) θα μπορούσαν να διεισδύσουν μέσα σ’ αυτές. Η βαρυτική δύναμη μας φαίνεται ασθενής διότι «απλώνεται» στις επιπλέον διαστάσεις που δεν μπορούμε να αντιληφθούμε. Έτσι λοιπόν πολλοί επιστήμονες με διαφορετικούς τρόπους προσπαθούν να εντοπίσουν αυτές τις διαστάσεις.

Πείραμα ATLAS: ψάχνοντας για επιπλέον διαστάσεις

Πιστεύεται ότι αν υπάρχουν αυτές οι επιπλέον διαστάσεις, τότε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) θα μπορούσαν να δημιουργηθούν βραχύβιες μικροσκοπικές μαύρες τρύπες. Στις υψηλές ενέργειες που δημιουργούνται στον LHC, τα συγκρουόμενα πρωτόνια θα μπορούσαν να αλληλεπιδρούν και με βαρυτόνια στις επιπλέον διαστάσεις, κάνοντας την βαρύτητα τόσο ισχυρή, ώστε να δημιουργούνται στιγμιαία μικροσκοπικές μαύρες τρύπες. Το πείραμα ATLAS ψάχνει για τέτοια γεγονότα μικροσκοπικών μαύρων τρυπών, τα οποία συνδέονται άμεσα με την ύπαρξη των επιπλέον διαστάσεων.

Επειδή κανείς δεν είναι σίγουρος για τα προϊόντα της διάσπασης των μικροσκοπικών μαύρων τρυπών το ATLAS διαθέτει μερικές ομάδες που εξετάζουν διαφορετικούς τύπους διάσπασης των μικροσκοπικών μαύρων τρυπών.

Οι φυσικοί του ATLAS αναζήτησαν στα δεδομένα των συγκρούσεων πρωτονίων (στα 13 TeV) του 2015, γεγονότα διάσπασης μαύρων τρυπών που περιείχαν τουλάχιστον τρία προϊόντα με υψηλή ορμή, με ένα τουλάχιστον λεπτόνιο μεγάλης ορμής. Ιδού το αποτέλεσμα αυτής της αναζήτησης:

Figure 1: The ∑ pT distributions in the muon channel.

Στο παραπάνω διάγραμμα, τα πλήρη χρώματα (κόκκινο, κίτρινο, μοβ, πορτοκαλί, μπλέ) δείχνουν την κατανομή των γεγονότων (άθροισμα ορμών σωματιδίων με μεγάλες ορμές) που αναμένονται από τη φυσική χωρίς έξτρα διαστάσεις. Οι μαύρες τελείες δείχνουν την κατανομή της πραγματικής εμφάνισης τέτοιων γεγονότων στον ανιχνευτή (πραγματικά δεδομένα) και βρίσκονται σε συμφωνία με τη γνωστή φυσική των τεσσάρων διαστάσεων.

Η πράσινη και η μοβ γραμμή (από το μέσον του διαγράμματος προς τα δεξιά) δείχνει την αναμενόμενη κατανομή των γεγονότων αν υπήρχαν επιπλέον διαστάσεις. Αξίζει να σημειωθεί ότι σύμφωνα με την πρόβλεψη της πράσινης γραμμής στο δεξί άκρο της αναμένονταν περίπου 200 γεγονότα μικροσκοπικών μαύρων τρυπών, αλλά στα πραγματικά δεδομένα εμφανίζεται μόνο ένα. Μια τέτοια πρόβλεψη ξεκάθαρα απορρίπτεται.

Συνολικά τα δεδομένα αυτά δείχνουν, προς το παρόν, ότι δεν σχηματίζονται μικροσκοπικές μαύρες τρύπες – τουλάχιστον όχι αυτές που έχουν μάζα μικρότερη από 7000 φορές τη μάζα του πρωτονίου. Η ανάλυση κι άλλων δεδομένων στο άμεσο μέλλον θα δείξει αν πράγματι μπορεί να αποδειχθεί η ύπαρξη των επιπλέον διαστάσεων μ’ αυτόν τρόπο.

Πηγή: https://atlas.cern/updates/physics-briefing/continuing-search-extra-dimensions