Kuantum kara delikler LHC'de bir saklanma aralığını daha kaybetti

UC Santa Barbara'nın duyurduğu çalışmaya göre ekip, ek uzay boyutları öngören kuramların tarif ettiği yarı-klasik kara delikleri, modele göre değişmek üzere 9,0 ile 11,4 TeV arasındaki kütlelerin altında dışladı. Yani "bu kütle aralığında böyle bir şey üretilmiyor" dedi. Önceki sınırlar bu ölçüde 1 ile 1,6 TeV arasında ileri taşınmış oldu. Çalışma Progress in High Energy Physics dergisinde yayımlandı.

Önce terimler: TeV, ek boyut, kuantum kara delik

TeV, "teraelektronvolt" demek; parçacık fiziğinde enerjinin ve kütlenin ortak para birimi gibi kullanılıyor. LHC'nin bu veri döneminde çarpışma enerjisi 13 TeV'di ve ekibin elindeki veri miktarı 138 ters femtobarn (138 fb⁻¹) olarak veriliyor — bu, kabaca "kaç çarpışmaya bakıldığı"nın ölçüsü.

"Kuantum kara delik" ise gökyüzündeki dev kara deliklerin küçük bir kopyası değil. Kütleçekimi, bilinen dört temel kuvvetin açık ara en zayıfı; bir mıknatıs, koca bir gezegenin çekimini yenip toplu iğneyi yerden kaldırabiliyor. Bu tuhaflığa fizikte "hiyerarşi sorunu" deniyor. 1990'ların sonunda bazı kuramcılar şöyle bir çıkış yolu önerdi: belki kütleçekimi aslında zayıf değil, sadece göremediğimiz fazladan uzay boyutlarına sızdığı için bize zayıf görünüyor. Eğer öyleyse, kütleçekiminin gerçek gücü çok daha küçük mesafelerde ortaya çıkar ve LHC ölçeğindeki çarpışmalarda bir an için minicik bir kara delik oluşabilirdi.

Bu kara delik kalıcı bir şey olmazdı. UCSB'li kuramcı Steven Giddings'in duyuruda söylediği gibi, "uzun süre ortalıkta kalmazlardı — birini üretseniz anında dağılırdı." Dağılırken de dedektörde belirgin bir iz bırakması beklenir: enerjinin belli bir yöne fırlaması yerine, her yöne az çok eşit dağılan bir parçacık bulutu.

"LHC dünyayı yutar mı" korkusu neden yersizdi

LHC açılmadan önce bu fikir kamuoyunda tersinden dolaşmıştı: makine kara delik üretirse gezegeni yutmaz mı? CERN'in LHC Güvenlik Değerlendirme Grubu'nun (LSAG) 2008'de yayımladığı incelemenin dayandığı ana argüman kuramsal değil, gözlemseldi.

Uzaydan gelen kozmik ışınlar, milyarlarca yıldır Dünya'ya ve diğer gök cisimlerine LHC'dekinden çok daha yüksek etkin enerjilerle çarpıyor. LSAG raporunun ifadesiyle, doğa Dünya üzerinde yaklaşık yüz bin LHC deney programına denk bir işi zaten yapmış durumda — ve gezegen hâlâ yerinde. Steven Giddings ile Michelangelo Mangano'nun geliştirdiği bu akıl yürütme, Hawking ışıması üzerinden kurulan eski argümanlardan daha sağlam kabul edilmişti; çünkü bir kuramın doğruluğuna değil, gökyüzünün kendisine dayanıyor.

Giddings'in bu yeni duyuruda hatırlattığı ikinci nokta da ölçeği yerine oturtuyor: ek boyutlar yoksa, bir mikrogram büyüklüğünde kara delik üretmek için gereken çarpışma enerjisi LHC'nin yapabildiğinin "milyon kere milyar" katı olurdu.

Dışlama sınırı ne demek — "yok" değil, "burada yok"

Bu tür haberlerde en sık kayan nokta şu: hiçbir şey bulunmaması, konunun kapandığı anlamına gelmiyor. Çalışmanın ürettiği şey bir dışlama sınırı. Yani "eğer böyle bir olay şu kütle aralığında ve şu sıklıkta olsaydı, biz onu bu veride görürdük; görmediğimize göre orada yok" cümlesi.

Doktora öğrencisi Danyi Zhang duyuruda bunu şöyle özetliyor: "Sonuç bir dışlama sınırı, ki bu gerçek ve yayımlanabilir bir ifadedir." Kuramın tamamı çürümüyor; kuramın kolayca sınanabilir bölgesi daralıyor. Parçacık fiziği yıllardır büyük ölçüde böyle ilerliyor: yeni bir şey bulan tek bir deney yerine, ihtimal haritasını adım adım küçülten bir dizi boş sonuç.

Aynı daralma ek boyut sayısına da yansıyor. CMS'te doktora sonrası araştırmacı Tamás Vámi'nin aktardığına göre sicim kuramı genel olarak on boyut öngörürken, incelenen parametre aralığında bu ölçümler ikiden fazla ek boyuta yer bırakmıyor.

Eski veriye yeni gözle bakmak: faz uzayı uzaklığı

Çalışmanın asıl yeniliği belki de aradıkları şey değil, arama biçimi. Klasik yöntem "küresellik" (sphericity) denen bir ölçü kullanıyor: çarpışma artıklarının ne kadar her yöne eşit dağıldığına bakılıyor. Ekip bunun yerine, UCSB'li kuramcı Nathaniel Craig'in önerdiği "faz uzayı uzaklığı" fikrini bir destek vektör makinesiyle (Support Vector Machine) birleştirdi: olaylar tek tek birbirine ne kadar benziyor, bu benzerlik üzerinden ayrıştırılıyor.

Zhang'in ifadesiyle faz uzayı uzaklığı kürelliği geride bıraktı. Yöntemin ikinci avantajı ise şeffaflık: derin öğrenme modellerinin çoğu kara kutu gibi çalışırken burada, Zhang'in deyişiyle, araştırmacılar kaputun altına bakabiliyor. Analiz ayrıca büyük ölçüde model bağımsız kurulmuş; yani "çok sayıda jet ve lepton üreten, bilinen fizik dışı bir şey" için genel sınırlar veriyor, tek bir kurama kilitlenmiyor.

CMS Experiment kanalının yayımladığı yukarıdaki tanıtım videosu, bu ölçümlerin yapıldığı dedektörün katman katman nasıl kurulduğunu gösteriyor.

İkinci av: sphaleron ve maddenin neden var olduğu sorusu

Aynı analiz ikinci bir hedefi de tarıyor: sphaleron. Bu, parçacık fiziğinin standart modelinde öngörülen, kararsız bir alan yapılanması. İlgi çekici yanı, madde ile karşı madde arasındaki dengesizliğe dair bir ipucu taşıması. Büyük patlamadan sonra madde ve karşı madde eşit miktarda üretildiyse ikisinin birbirini tümüyle götürmesi gerekirdi; ortada bir evren, gezegenler ve bizler olduğumuza göre bir yerde denge bozulmuş. Sphaleron geçişleri, bu bozulmanın olası mekanizmalarından biri.

Bu aramadan da işaret çıkmadı. Makalenin özetine göre ekip, yüksek enerjili kuark etkileşimlerinin sphaleron geçişi üretme oranına %95 güven düzeyinde 0,0025 üst sınırını koydu. UCSB duyurusu bu sonucun önceki sınırlara göre on kat iyileşme anlamına geldiğini belirtiyor.

Sırada ne var

Vámi'nin sözleriyle bir şey bulunsaydı kapı doğrudan kuantum kütleçekimini çalışmaya açılacaktı — yüz yılı aşkındır peşinde olunan, tüm temel kuvvetleri tek çatı altında birleştirme hedefinin en zor parçası. Açılmadı. Ama kullanılan yöntem elde kaldı ve bu yöntem yalnız kara delik aramak için değil, "beklenmedik biçimde dağılan" her türlü olayı avlamak için kullanılabilir.

Bir sonraki durak Yüksek Parlaklık LHC: aynı makine, çok daha fazla çarpışma. Burada asıl merak edilen şu olabilir — arama araçları eski veriden hâlâ yeni sonuç çıkarabiliyorsa, sınır nereden geliyor? Makinenin enerjisinden mi, yoksa henüz aklımıza gelmemiş soru biçimlerinden mi?

Fotoğraf: SimonWaldherr, CC BY 4.0, Wikimedia Commons