Физики эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере не нашли признаков микроскопических чёрных дыр, струнных шаров и электрослабых сфалеронов. Зато анализ установил самые строгие на сегодня ограничения для ряда подобных моделей и показал новый способ искать редкие процессы среди квадриллионов столкновений частиц с помощью машинного обучения.
CMS изучил данные протон-протонных столкновений, которые детектор собрал в CERN с 2016 по 2018 год при энергии 13 ТэВ. Набор соответствует интегральной светимости 138 фб⁻¹ и включает больше 10 квадриллионов столкновений. Ни в одном из проведённых поисков статистически значимого избытка над предсказаниями Стандартной модели физики не обнаружили.
Отрицательный результат заметно сужает пространство, где может скрываться новая физика. В моделях с большими дополнительными измерениями CMS исключил при доверительном уровне 95% полуклассические микроскопические чёрные дыры с массами ниже 8,4–11,4 ТэВ. Точная граница зависит от выбранной модели и числа дополнительных измерений. Для так называемых струнных шаров исключён диапазон масс ниже 9,0–10,7 ТэВ. По сравнению с предыдущим анализом чувствительность к массам чёрных дыр выросла примерно на 1–1,6 ТэВ, а к струнным шарам на 1,3–1,9 ТэВ.
Поэтому формулировка «CERN не нашёл чёрные дыры» требует оговорки. Эксперимент не доказал, что микроскопических чёрных дыр вообще не существует. CMS исключил конкретные области параметров нескольких теоретических моделей, в которых такие объекты должны были бы проявиться в собранных данных. Чем больше подобных областей физики закрывают экспериментально, тем меньше пространства остаётся теориям новой физики.
Особый интерес представляет сам способ поиска. Исследователи использовали две независимые стратегии. Первая искала необычные события по суммарному поперечному импульсу частиц и проверяла, сохраняет ли фон ожидаемую форму распределения. Вторая сравнивала столкновения по их положению в многомерном фазовом пространстве, где учитываются кинематические характеристики частиц, а затем передавала полученные различия алгоритму опорных векторов SVM.
Проще говоря, алгоритм учился отличать столкновения, похожие на обычные процессы Стандартной модели, от событий с необычной кинематикой. Для каждой пары событий исследователи вычисляли расстояние в фазовом пространстве, после чего SVM формировал оценку, показывающую, насколько событие похоже на предполагаемый сигнал. Авторы из UC Santa Barbara сообщают, что такой подход лучше отделял модельные сигналы от фона, чем одна только сферичность разлёта частиц.
Речь при этом не идёт о большой нейросети или непрозрачной генеративной модели. SVM относится к классическим методам машинного обучения, а физики могут проследить, какие свойства событий влияют на разделение сигнала и фона. Исследователи считают такую интерпретируемость полезной для поисков новой физики, где необычный результат приходится тщательно проверять и объяснять, прежде чем объявлять открытием.
CMS также искал электрослабые сфалероны. Теория описывает сфалерон не как частицу, а как нестабильную конфигурацию полей, способную при огромных энергиях нарушать сохранение барионного и лептонного числа. Подобные процессы интересуют физиков в том числе из-за загадки преобладания материи над антиматерией во Вселенной. Сигнала сфалеронов CMS не увидел и установил верхний предел 0,0034 на долю кварк-кварковых взаимодействий выше номинального порога перехода 9 ТэВ, которые могли бы приводить к сфалеронному процессу. Предел задан с доверительным уровнем 95%.
Микроскопические чёрные дыры интересуют физиков по другой причине. Некоторые модели с дополнительными пространственными измерениями допускают, что гравитация на очень малых расстояниях становится гораздо сильнее, чем следует из привычной картины мира. Тогда столкновения частиц при достаточно высокой энергии теоретически могли бы породить крошечную чёрную дыру, которая практически мгновенно распалась бы с выбросом множества частиц. CMS искал именно характерные продукты такого распада, а не астрофизические чёрные дыры, способные поглощать окружающее вещество.
CMS рассчитывает применить подобные методы к новым данным LHC и будущему массиву данных High-Luminosity LHC. Пока новая физика снова не показалась, но карта мест, где ей ещё разрешено прятаться, стала немного меньше.
