ШІ на Адронному колайдері спростував теорію 10 вимірів

Мікроскопічні чорні діри — одна з гіпотез, яка дає змогу перевірити, чи можуть закони квантової фізики та гравітації працювати разом. Дослідники проаналізували дані протонних зіткнень за допомогою алгоритму штучного інтелекту, здатного оцінювати всю картину події, а не окремі частинки. Чорних дір не знайшли, проте результат допоміг звузити коло можливих теорій про будову Всесвіту.

Як у колайдері могли б виникнути мікрочорні діри

Фізика описує світ за допомогою двох фундаментальних підходів. Теорія відносності пояснює поведінку масивних об’єктів і гравітації, тоді як квантова механіка працює на рівні елементарних частинок. Проблема полягає в тому, що ці теорії досі складно об’єднати в одну узгоджену модель.

Саме тому науковці шукають явища, у яких мікроскопічні частинки взаємодіють із надзвичайно сильною гравітацією. Одним із можливих проявів такого перетину вважають мікроскопічні чорні діри.

За деякими теоретичними сценаріями, під час зіткнення протонів на величезних швидкостях енергія може зосередитися в дуже малому об’ємі. У такому разі простір-час нібито стискається настільки, що формується крихітна чорна діра.

Йшлося б не про небезпечний космічний об’єкт, а про надзвичайно короткоживуче утворення. Воно мало б майже миттєво розпастися на інші частинки, не встигнувши поглинути навколишню матерію.

Чому для пошуку використали штучний інтелект

Після зіткнення протонів детектори фіксують потік частинок, які розлітаються в різних напрямках. Якщо мікрочорні діри справді виникають, їх потрібно шукати не безпосередньо, а за характерними продуктами розпаду.

Для цього дослідники застосували алгоритм машинного навчання до даних, зібраних у 2016–2018 роках. Він одночасно враховував енергію та напрямок руху всіх частинок, що виникли під час кожного зіткнення.

• традиційні методи часто аналізують окремі ознаки події;
• алгоритм ШІ оцінює зіткнення як єдину фізичну картину;
• це дає змогу краще відрізняти потенційний сигнал від звичайного фонового процесу.

Такий підхід виявився чутливішим за попередні способи пошуку. Водночас вища точність аналізу не означає автоматичного відкриття: алгоритм не знайшов переконливих слідів утворення мікроскопічних чорних дір.

Які обмеження накладає результат на теорії додаткових вимірів

Відсутність сигналу свідчить, що за доступних енергій і нинішніх умов роботи колайдера мікрочорні діри не утворюються — принаймні в тих моделях, які передбачали їхнє виникнення.

Це важливий негативний результат. У науці він дає змогу відкинути частину гіпотез або встановити для них жорсткіші межі. Зокрема, дослідження стосується моделей із додатковими просторовими вимірами.

Деякі варіанти теорії струн припускають, що разом із трьома звичними просторовими вимірами та часом можуть існувати інші, приховані виміри. У таких моделях гравітація на дуже малих відстанях могла б бути сильнішою, ніж передбачає звичайна фізика, а енергії колайдера теоретично вистачило б для створення мікрочорної діри.

Однак отримані дані обмежують кількість таких додаткових вимірів. За розглянутих умов їх може бути не більше двох. Це не доводить, що прихованих вимірів не існує, але звужує простір для відповідних теоретичних моделей.

Якби додаткових вимірів не було зовсім, для створення найменшої чорної діри знадобилася б енергія, приблизно в квадрильйон разів більша за ту, яку можна отримати в сучасному колайдері.

Пошук сфалеронів і походження матерії

У межах того самого аналізу фізики перевіряли ще одну гіпотезу — існування сфалеронів. Це особливі нестабільні конфігурації квантових полів, які могли б виникати за надзвичайно високих енергій.

Сфалерони цікаві тим, що потенційно пов’язані з однією з найбільших загадок космології — асиметрією між матерією та антиматерією. За початковими умовами Всесвіту вони мали б утворюватися майже в однакових кількостях і взаємно знищуватися.

Проте після Великого вибуху залишився невеликий надлишок матерії. Саме з нього згодом сформувалися галактики, зорі, планети та живі організми. Сфалерони могли б допомогти пояснити, як виникла ця перевага матерії.

Експеримент також не виявив ознак сфалеронів. Це дозволило науковцям відсіяти частину теоретичних сценаріїв, хоча остаточно питання походження матерії й антиматерії залишається відкритим.

Що зміниться після модернізації колайдера

Нині колайдер проходить масштабне оновлення. Модернізація має підвищити точність детекторів і розширити можливості реєстрації рідкісних процесів під час зіткнень частинок.

Після відновлення роботи дослідники зможуть перевіряти ці гіпотези на значно більшому обсязі даних. Навіть якщо мікрочорні діри чи сфалерони знову не знайдуть, нові обмеження допоможуть точніше зрозуміти, якими могли бути умови на ранніх етапах існування Всесвіту.

Отже, штучний інтелект не виявив мікроскопічних чорних дір, але зробив їхній пошук точнішим. Отримані результати звузили можливості для моделей із додатковими вимірами та водночас показали, як сучасний аналіз даних допомагає перевіряти найскладніші гіпотези фундаментальної фізики.