CMS لا يجد ثقوبًا سوداء مجهرية ويشدّد القيود بنهج تعلم آلي جديد

لا يعني غياب الاكتشاف أن فكرة الأبعاد الإضافية قد انتهت، لكنه يضيّق مساحة الاحتمالات أمام نماذج محددة تتنبأ بأن مصادم الهادرونات الكبير في سيرن كان ينبغي أن ينتج ثقوبًا سوداء مجهرية بوتيرة قابلة للرصد.

فقد حلّلت تجربة CMS كامل بيانات التشغيل الثاني للمصادم من 2016 إلى 2018: تصادمات بروتون-بروتون بطاقة مركز كتلة 13 تيرا إلكترون فولت، وبلمعان تكاملي قدره 138 فيمتوبارن عكسي. ولم يظهر أي فائض ذي دلالة إحصائية عن توقعات النموذج القياسي، لا لثقوب سوداء مجهرية ولا لـ«الكرات الوترية» ولا للسفاليرونات الكهروضعيفة. 34

كيف بحث التعلم الآلي عن أحداث غير مألوفة؟

في بعض نماذج الجاذبية عند طاقات تيرا إلكترون فولت، قد يتكوّن ثقب أسود مجهري في التصادم ثم يتلاشى فورًا تقريبًا، مطلقًا عددًا كبيرًا من جسيمات النموذج القياسي النشطة موزعة بصورة قريبة من التماثل في الاتجاهات. وهذه البصمة الحركية نفسها ذات صلة أيضًا بإشارات السفاليرونات في النماذج المرجعية التي درستها CMS.

أدخل الباحثون أداة تعتمد على مسافة فضاء الطور: أي مقياس لمدى تقارب حدثَي تصادم عندما تُمثَّل خصائصهما الحركية المعاد بناؤها داخل فضاء متعدد الأبعاد. وبدلًا من الاعتماد على متغير واحد فقط، أتاح ذلك تجميع الأحداث بحسب تشابهها الحركي. ثم تعلّم مصنّف من نوع آلة المتجهات الداعمة (SVM) حدًا فاصلًا بين أحداث محاكاة تشبه الإشارة وأحداث الخلفية العادية متعددة النفاثات. 14

واكتمل هذا البحث الموجّه باستراتيجية أوسع وأقل ارتباطًا بنموذج بعينه، تستخدم المجموع القياسي للعزوم المستعرضة، (S_\mathrm{T})، في الأحداث التي تضم نفاثات أو لبْتونات أو فوتونات. وبذلك استهدفت الطريقتان معًا الأحداث النادرة عند الطرف الأشد طاقة والأكثر تعددًا للجسيمات في البيانات. 4

النتيجة: لا فائض، وقيود أشد

لم تُظهر مناطق البحث الشامل أو المناطق المخصصة لطريقة فضاء الطور أي زيادة لا يفسرها النموذج القياسي. 34

وعند مستوى ثقة 95%، تُترجم هذه النتيجة السلبية إلى استبعادات ضمن النماذج التي اختبرتها CMS:

• الثقوب السوداء شبه الكلاسيكية: استُبعدت كتل أقل من 8.4 إلى 11.4 تيرا إلكترون فولت، بحسب مقياس الجاذبية ونموذج الثقب الأسود وعدد الأبعاد الإضافية المفترض. ويُختصر ذلك غالبًا بنطاق يقارب 9–11.4 تيرا إلكترون فولت. 3
• الكرات الوترية: استُبعدت كتل أقل من 9.0 إلى 10.7 تيرا إلكترون فولت في السيناريوهات المرجعية المعنية. 3
• السفاليرونات الكهروضعيفة: وضعت CMS حدًا أعلى قدره 0.0034 على نسبة تفاعلات كوارك-كوارك التي تقع فوق عتبة انتقال السفاليرون الاسمية البالغة 9 تيرا إلكترون فولت ويمكن أن تنتج الانتقال الموصوف في النموذج. 3

وفي السيناريوهات الأكثر ملاءمة، مدّد التحليل مدى استبعاد كتل الثقوب السوداء بنحو 1 إلى 1.6 تيرا إلكترون فولت مقارنة بالبحث السابق؛ أما الزيادة الدقيقة فتعتمد على النموذج المرجعي. 3

ما الذي تقوله النتيجة عن الأبعاد الإضافية؟

تُطرح نماذج الأبعاد الإضافية الكبيرة جزئيًا لمعالجة مشكلة التسلسل الهرمي: الفارق الهائل بين مقياس بلانك الظاهر في أربعة أبعاد ومقياس التفاعل الكهروضعيف. في بعض هذه النماذج قد تصبح الجاذبية قوية قرب مقياس تيرا إلكترون فولت، ما يفتح نظريًا المجال لإنتاج ثقوب سوداء مجهرية أو أجسام مرتبطة بها في التصادمات عالية الطاقة.

لكن CMS لم تُسقط هذه الفكرة العامة، ولم تحل مشكلة التسلسل الهرمي. ما استبعدته هو الأجزاء من نماذج بعينها التي تتنبأ بإنتاج ثقوب سوداء أو كرات وترية بكثرة كافية، وعند كتل منخفضة بما يكفي، لكي تظهر في هذه العينة من البيانات. وتعتمد الحدود على افتراضات تخص هندسة الأبعاد الإضافية وحجمها، ومقياس الجاذبية الأساسي، وعتبة تشكل الثقب الأسود، ونموذج اضمحلاله. 3

وبالمثل، فإن الاستبعادات المرتبطة بعدد معين مفترض من الأبعاد الإضافية ليست قياسًا مباشرًا لعدد الأبعاد المكانية في الطبيعة. فهي صالحة داخل إطار النموذج المحدد فقط. إذ يمكن أن تختلف أحجام الأبعاد الإضافية بين النماذج على نطاق واسع، من مقاييس تقارب معكوس التيرا إلكترون فولت إلى مليمترات. 1

ماذا سيضيف المصادم عالي اللمعان؟

يمكن للنسخة عالية اللمعان من مصادم الهادرونات الكبير (HL-LHC) أن تعزز هذا النوع من الأبحاث أساسًا عبر توفير عدد أكبر بكثير من التصادمات. فالمزيد من البيانات يرفع الحساسية للأحداث النادرة شديدة الطاقة وعالية التعدد، ولعمليات إنتاج ذات معدلات أصغر.

وقد يمدّ ذلك قدرة الاختبار إلى عتبات أعلى لكتل الثقوب السوداء والكرات الوترية، أو إلى احتمالات انتقال سفاليروني أصغر، خصوصًا مع تحديثات الكواشف وأنظمة التشغيل السريع وطرائق التحليل المصممة للتعامل مع التراكب الكبير للتصادمات. لكن زيادة اللمعان ليست بديلًا من زيادة طاقة التصادم: إذا كانت عتبة الإنتاج الفعلية أعلى من طاقات تصادم مكوّنات البروتون المتاحة في LHC، فسيستلزم الأمر في النهاية مصادمًا أعلى طاقة.

الخلاصة

أضافت طريقة مسافة فضاء الطور وسيلة جديدة للبحث عن بنى غير مألوفة في كم هائل من بيانات التصادمات. لم تظهر ظاهرة جديدة، لكنها أنتجت قيودًا أقوى على النماذج المختبرة: ثقوب سوداء حتى 11.4 تيرا إلكترون فولت، وكرات وترية حتى 10.7 تيرا إلكترون فولت، وحد صارم لمعدل انتقال السفاليرون المرجعي. إنها قيود مهمة على مسارات محددة نحو جاذبية عند مقياس تيرا إلكترون فولت، لا حكم نهائي على الأبعاد الإضافية أو الجاذبية الكمومية أو مشكلة التسلسل الهرمي. 34