To ATLAS δε βλέπει φως από κβαντικές μαύρες τρύπες

Οι μαύρες τρύπες είναι πολύ της μόδας τις τελευταίες μέρες, με το θέμα των firewalls να συζητείται έντονα ανάμεσα στους θεωρητικούς και το νέο paper του Hawking να μην παρουσιάζεται σωστά στα μέσα ενημέρωσης. Την ίδια στιγμή, στον LHC οι ομάδες ATLAS και CMS συνεχίζουν τις προσπάθειες για την εύρεση μικροσκοπικών εκδοχών των ίδιων αντικειμένων, οι οποίες θα μπορούσαν να υπάρχουν, εάν η ενεργειακή κλίμακα στην οποία τα φαινόμενα κβαντικής βαρύτητας κάνουν αισθητή την παρουσία τους είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη από το σημείο όπου θα έπρεπε να είναι, δηλαδή στην ενέργεια Plank.

Υπάρχει μία μεγάλη ποικιλία από φαινόμενα που θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένδειξη για τη δημιουργία μελανών οπών στις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου του LHC. Στο πρόσφατο άρθρο από το ΑTLAS εξετάζεται μόνο ένα από αυτά- η παραγωγή, δηλαδή, ζεύγους φωτονίου-πίδακα μεγάλης συνολικής μάζας, κάτι το οποίο θα μπορούσε να συμβεί ως αποτέλεσμα της εξαΰλωσης μιας μαύρης τρύπας που δεν είχε χρόνο θερμοποιηθεί (thermalize-δηλαδή να φτάσει σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας). Αλλά για να είμαστε ακριβείς, στο ATLAS κάνουν το αντίθετο: ψάχνουν για γεγονότα gamma-jet στην περιοχή υψηλών μαζών, χωρίς να εστιάζουν συγκεκριμένα στις μαύρες τρύπες. Με αυτόν τον τρόπο δεν βγάζουν ειδικά όρια για τον ρυθμό της διαδικασίας που θα έδινε αυτήν την υπογραφή, και αυτό είναι, νομίζω, κάτι καλό.

Πράγματι, πολύ εξειδικευμένες έρευνες για συγκεκριμένες τελικές καταστάσεις οι οποίες προβλέπονται από διάφορα μοντέλα «νέας φυσικής» είναι χρήσιμες, αλλά και λίγο στενόμυαλες. Με το μεγάλο πλήθος δεδομένων που είναι διαθέσιμα πλέον στα ATLAS και CMS, καθώς και με την αποτυχία μοντέρνων μοντέλων να παράξουν προβλέψεις  οι οποίες να περνάνε τα πειραματικά τεστ, είναι αρκετά λογικό να μελετάει κανείς τα πειραματικά δεδομένα κάπως πιο σφαιρικά, εστιάζοντας την προσοχή του σε πιο γενικές υπογραφές και προσπαθώντας να υπολογίσει εάν τα αντίστοιχα δεδομένα συμφωνούν με το υπόβαθρο του ΚΠ (Standard Model background) ή εάν υπάρχει απόκλιση από αυτό.

To ATLAS εξέτασε το δείγμα δεδομένων των 8-TeV και παρήγαγε ένα φάσμα της μάζας ηρεμίας για ενεργητικά φωτόνια που ανακρούουν από έναν πίδακα. Η υπογραφή των φωτονίων στις υψηλές ενέργειες είναι αρκετά καθαρή, και έτσι τα διάφορα υπόβαθρα προέρχονται βασικά από σκεδάσεις τύπου Compton σε συγκρούσεις κουάρκ-γλουονίου που δίνουν ένα κουάρκ και ένα φωτόνιο. Ένα δεύτερο υπόβαθρο προκύπτει από αδρονιακούς πίδακες που διασπώνται με τέτοιο τρόπο ώστε το leading particle να είναι φωτόνιο. Αυτά δεν είναι «direct» φωτόνια, υπό την έννοια πως δεν είναι το άμεσο αποτέλεσμα μίας διαδικασίας σκληρής σκέδασης (hard scattering process), αλλά είναι δευτερεύοντα προϊόντα των παρτονίων της τελικής κατάστασης.

Παρά τον παραπάνω διαχωρισμό, η ανάλυση έχει γίνει με τέτοιο τρόπο ώστε για την εκτίμηση των διαδικασιών υποβάθρου να έχει χρησιμοποιηθεί μόνο το δείγμα των δεδομένων – και το συλλογικό τους αποτέλεσμα είναι μία ομαλή κατανομή μάζας ηρεμίας. Οπότε κανείς μπορεί να ψάξει σε αυτό το ομαλό φάσμα για μία γκαουσιανού τύπου προεξοχή που θα υποδηλώνει την παρουσία ενός συντονισμού ή άλλων turn-on φαινομένων.

Το φάσμα μαζών (mass spectrum) που βρήκε το ATLAS φαίνεται στα δεξιά. Όπως μπορείτε να δείτε, είναι όντως αρκετά ομαλό και καλώς προσαρμοσμένο στην εφαρμοσμένη συναρτησιακή μορφή. Η ύπαρξη ενός συντονισμού – όπως ενός διεγερμένου κουάρκ, q*, το οποίο αποδιεγείρεται σε ένα κουάρκ εκπέμποντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ή μίας κβαντικής μαύρης τρύπας, ή άλλων τέτοιων φανταχτερών αντικειμένων – θα ισχυροποιούσε το σήμα σε συγκεκριμένα σημεία του φάσματος, όπως φαίνεται με τα διακεκομμένα ιστογράμματα στο γράφημα. Επίσης, δείτε το κάτω κομμάτι του γραφήματος, όπου το ATLAS λανθασμένα βάζει την ετικέτα «significance» (σημαντικότητα) στον άξονα y (δεν είναι αυτό, αν θέλουμε να είμαστε ακριβείς, αλλά ο λόγος για αυτό ξεφεύγει από τον σκοπό του κειμένου). Οι κόκκινες μπάρες πάντως ακόμα και έτσι δίνουν μία αίσθηση της συμβατότητας των δεδομένων με την επιλεγμένη παραμετροποίηση, κάτι δύσκολο να εξαχθεί από την ημι-λογαριθμική κατανομή από πάνω, ιδιαίτερα στο αριστερό άκρο με τις χαμηλές μάζες.

Χρησιμοποιώντας δοκιμασμένες τεχνολογίες για τον καθορισμό ορίων με το κριτήριο Επιπέδων Εμπιστοσύνης (CLs criterion), το ATLAS συνεχίζει να μεταφράσει τα δεδομένα βάζοντας εξαιρέσεις στην ενεργό διατομή για κβαντικές μελανές οπές και διεγερμένα κουάρκς σαν της κλίμακας μάζας (mass scale) αυτών των διαδικασιών (δείτε πχ την εικόνα παρακάτω). Όμως, θέτουν παράλληλα και ένα όριο για έναν γενικότερης φύσεως συντονισμό ως συνάρτηση της μάζας του, έτσι ώστε να μπορέσει κάποιο μελλοντικό μοντέλο να κάνει συγκρίσεις με τα αποτελέσματα του ATLAS χωρίς να χρειάζεται μία νέα ανάλυση.

Το γράφημα στα αριστερά δείχνει το σύνηθες «Brazil band» διάγραμμα, όπου για οποιαδήποτε υποθετική ενέργεια κατωφλιού της κβαντικής μαύρης τρύπας, (με παραμέτρους n=6 και MD=Mth, βέβαια, έτσι και αλλιώς αυτά ενδιαφέρουν αυτούς μόνο που θα διαβάσουν και το paper) το άνω όριο σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95% φαίνεται για το γινόμενο της ενεργού διατομής επί το branching fraction στα ζεύγη φωτονίου-πίδακα επί την acceptance. Τα μαύρα σημεία δείχνουν το αποτέλεσμα, ενώ η λωρίδα ως συνήθως περιγράφει το τι αναμενόταν πριν την εξέταση των δεδομένων για το όριο, όντας γνωστός ο όγκος τους, η ανιχνευτική ικανότητα (detector efficiency), και η τεχνική της ανάλυσης. Η διακεκομμένη μπλε γραμμή δείχνει ότι μοντέλα με energy scale κάτω από τα 4.55 TeV αποκλείονται σε αυτό το συγκεκριμένο σενάριο.

Συνολικά, είναι μία ωραία ανάλυση, και θα πρέπει να πω πως θα προτιμούσα να έβλεπα περισσότερες τέτοιου είδους έρευνες, βασισμένες σε υπογραφές. Ειδικότερα, θα ήθελα να δω έρευνες που επεξεργάζονται τα δεδομένα σε ένα ακόμη πιο γενικό πλαίσιο, και πολυμεταβλητές τεχνικές οι οποίες λαμβάνουν υπόψιν την evidencing region του πολυδιάστατου παραμετρικού χώρου των διάφορων παρατηρήσιμων ποσοτήτων, όπου τα δεδομένα διαφωνούν με της προβλέψεις για το υπόβαθρο. Αλλά τέτοιες έρευνες αντιμετωπίζονται ακόμα διστακτικά στην κοινότητα του HEP, κυρίως λόγω του γεγονότος πως ο τρόπος σκέψης είναι ακόμα ευθυγραμμισμένος με τους μεγάλους πλέον σε ηλικία μέντορες μας, που έμαθαν να ψάχνουν για νέα φυσικά φαινόμενα όταν ακόμη οι υπολογιστές ήταν στην εποχή των hole-punched data cards. Αυτές οι νέες τεχνικές θα πάρει χρόνο να γίνουν καθολικά αποδεκτές στην επιστημονική κοινότητα.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/atlas_sees_no_light_quantum_black_holes-128875
2/2/2014