歐洲強子對撞機首次對撞未發現迷你黑洞

Peter

　　



　　



　　欧洲大型强子对撞機的紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)



　　



　　对撞事件如标準模型预期的那样进行。这種事件是寻找迷你黑洞的背景



　　欧洲大型强子对撞機(LHC)首次对撞实验不断带给人驚喜。上周，紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(简称CMS)任务团队宣布，他们向《物理快报》杂志提交了一篇论文，描述了对某些形式的弦理论的实验过程。



　　據任务团队介绍，如果这種形式的弦理论是正確的，大型强子对撞機应该可以生成迷你黑洞，不过这些黑洞会瞬间消失，而不是像某些人担心的那样吞噬地球。然而，对CMS探测器获取数據的分析结果表明，黑洞能量衰减的信号显然并不存在。



　　　　何为弦理论



　　弦理论试图揭开一个物理学谜团，即物理学的两大理论量子力学和相对论为何基本上不相容。弦理论假设四维空间之外还存在额外维度，从而将这两種理论结合起来。弦论的一个基本观点就是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭弦)，闭弦的不同振动和运动就产生出各種不同的基本粒子。



　　我们肉眼是看不到这些闭弦的，因为它们被紧紧包在正常能量难以接近的微小半径内。在一種弦理论中——CMS探测器任务团队称之为ADD模式，因为是阿卡尼·哈米德、季莫普洛斯、德瓦利等三位科学家提出的——这種统一性具有重力的结果。通常情况下，重力相比其他力非常微弱，原因就在于，只有在能量是大型强子对撞機的幾个数量级的情况下，它才能與剩余力达到统一。



　　但在ADD模式中，重力只是看上去微弱，因为其中一部分被困在剩余维度中，这使得能量降至大型强子对撞機的范围以内。如果一切按照ADD模式预测的过程发展，以高于这種界限的能量相撞的粒子应该处于小于额外温度占據空间的距離内。一旦发生这種情况，它们会感受到全部的重力，立即合并变成迷你黑洞。实际上，由于太小，这个黑洞幾乎经由霍金辐射瞬间衰减。



　　　　未发现迷你黑洞能量衰减信号



　　这種衰减过程同粒子喷射物一样清晰可见。物理学家曾表示人们应该不会错过这个过程。但是，我们通常会将别的东西误以为是黑洞。由量子色动力学(quantum chromodynamics)主导的相互作用也会产生某種频率的喷射物，所以，黑洞事件必须在这種背景下显得“鹤立鸡群”。这正是最新分析寻找的结果。CMS探测器任务团队模拟了弦理论和量子理论的喷射物的状况，以便将其排除在外，从而挽救喷射物事件——这確实涉及到TSA扫描仪评估人员运用的相同建模软件。



　　接着，他们利用大型强子对撞機能谱范围内的能量分析通过量子色动力学产生的背景喷射物水平，这些能量过低，不能产生黑洞。随后，他们又将分析扩展至黑洞应该能出现的能量范围，了解是否有信号在这種背景下十分明显。结果，他们并没有获得这方面的发现。CMS探测器任务团队总结说：“我们可以将3.5至4.5电子伏特最低质量下生成黑洞的可能性排除，以在95%的置信水平下评估多维普朗克尺度。”



　　这一结果还对弦理论以外领域的研究意义重大。迷你黑洞不是科学家预测能量衰减为喷射物的唯一假定物质，所以，缺乏高于背景的信号也对物理学本身带来一些严重的限制。另一个有利之处是，所涉及的能量完全脱離大型强子对撞機的能力范围。这样，即便历史更悠久的对撞機击败大型强子对撞機，生成希格斯粒子，我们显然也能从大型强子对撞機的实验中获取了一些有用的物理学成就。



　　與一些报道的截然相反的是，这项研究实验并不意味着弦理论将走向灭亡，其实只是突出了在这些能量下预测黑洞的模式。将某些模式排除在外是把可能性缩小的关键一步，大多数理论概念都有许多可能的模型，弦理论也不例外。实际上，仅存在ADD模式是完全可能的，因为物理学家正在寻找或能够在大型强子对撞機中实验的物质。