CMS no encuentra microagujeros negros y endurece los límites con IA

CMS analizó el conjunto completo de datos de la segunda toma de datos del LHC, entre 2016 y 2018: 138 fb⁻¹ de colisiones protón-protón a una energía de 13 TeV. El resultado fue nulo: no apareció un exceso estadísticamente significativo compatible con microagujeros negros, bolas de cuerdas o esfalerones electrodébiles. 34

No significa que el experimento haya descartado las dimensiones extra ni resuelto el llamado problema de jerarquía. Lo que ha hecho es reducir el margen de determinados modelos que predicen que esos fenómenos deberían haberse producido con una frecuencia detectable.

Una IA que compara la geometría de los eventos

La búsqueda se centró en sucesos con una firma poco habitual: muchas partículas energéticas repartidas de forma relativamente uniforme tras una colisión. Esa distribución podría surgir si se formase un agujero negro microscópico y se desintegrase casi de inmediato en partículas del Modelo Estándar. También es relevante para los escenarios de referencia de los esfalerones electrodébiles.

La novedad fue el uso de una distancia en el espacio de fases. En términos sencillos, CMS representó las propiedades cinemáticas reconstruidas de cada colisión en un espacio multidimensional y midió qué eventos se parecían entre sí. Después, un clasificador de máquinas de vectores de soporte (support vector machine, SVM) aprendió a separar sucesos similares a la señal simulada de los eventos ordinarios de múltiples chorros de partículas, o multijets. 14

Esta estrategia se complementó con una búsqueda más inclusiva y menos dependiente de un modelo concreto. En ella se usó (S_\mathrm{T}), la suma escalar de los momentos transversos de chorros, leptones y fotones. Ambas técnicas apuntan a la región más extrema de los datos: eventos con mucha energía transversal y gran multiplicidad de partículas. 4

Sin exceso sobre el Modelo Estándar

Ni la búsqueda inclusiva ni las regiones definidas mediante el método de espacio de fases mostraron una desviación incompatible con las predicciones del Modelo Estándar. 34

A partir de esa ausencia de señal, CMS estableció exclusiones al 95 % de nivel de confianza para los modelos probados:

• Agujeros negros semiclasicos: se excluyen masas inferiores a 8,4–11,4 TeV, según la escala de gravedad, el modelo de agujero negro y el número supuesto de dimensiones extra. Como referencia resumida, suele citarse un intervalo aproximado de 9 a 11,4 TeV. 3
• Bolas de cuerdas: se excluyen masas inferiores a 9,0–10,7 TeV en los escenarios de referencia pertinentes. 3
• Esfalerones electrodébiles: CMS fijó un límite superior de 0,0034 para la fracción de interacciones quark-quark por encima del umbral nominal de transición de 9 TeV que podría producir la transición modelada. 3

En los escenarios más favorables, el nuevo análisis amplía el alcance de exclusión para agujeros negros en alrededor de 1–1,6 TeV respecto de búsquedas anteriores. La mejora exacta depende del modelo de referencia utilizado.

Qué dicen estos límites sobre las dimensiones extra

Los modelos con grandes dimensiones extra se plantean, entre otras razones, para abordar el problema de jerarquía: la enorme diferencia entre la escala de Planck aparente en cuatro dimensiones y la escala electrodébil. En algunas versiones, la gravedad se volvería intensa cerca de la escala TeV, lo que abriría la posibilidad de producir microagujeros negros u objetos relacionados en colisiones de muy alta energía.

El resultado de CMS no refuta esa idea general. Excluye las zonas de modelos específicos en las que los agujeros negros o las bolas de cuerdas deberían producirse con suficiente frecuencia y a masas lo bastante bajas como para haber aparecido en esta muestra de datos. Los límites dependen de supuestos sobre la geometría y el tamaño de las dimensiones extra, la escala fundamental de gravedad, el umbral de formación del agujero negro y su modelo de desintegración. 3

Por ello, que un resultado mencione cierto número de dimensiones extra no equivale a haber medido cuántas dimensiones espaciales tiene la naturaleza. La conclusión solo vale dentro del marco teórico especificado. Las construcciones con dimensiones extra pueden contemplar escalas características muy distintas, desde aproximadamente la inversa de un TeV hasta milímetros. 1

Por qué el HL-LHC puede ampliar la búsqueda

La futura fase de alta luminosidad del LHC, el HL-LHC, aportará una muestra mucho mayor de colisiones. Más datos mejoran la sensibilidad a señales muy raras, como los eventos con (S_\mathrm{T}) alto y muchas partículas en el estado final.

Con detectores, sistemas de disparo y técnicas de análisis mejorados para operar con elevado pileup —muchas colisiones simultáneas—, será posible poner a prueba umbrales más altos para agujeros negros y bolas de cuerdas, o probabilidades de transición de esfalerones aún menores.

Pero acumular luminosidad no sustituye a disponer de más energía de colisión. Si el umbral físico relevante queda fuera de las energías partónicas alcanzables en el LHC, haría falta un acelerador de mayor energía.

En resumen

El método de distancia en el espacio de fases dio a CMS una vía adicional para identificar estructuras inusuales en un conjunto gigantesco de colisiones. No detectó nueva física, pero sí reforzó las restricciones sobre los modelos examinados: agujeros negros por debajo de hasta 11,4 TeV, bolas de cuerdas por debajo de hasta 10,7 TeV y un límite estricto para la tasa de transición de esfalerones de referencia. Son límites relevantes para rutas concretas hacia una gravedad a escala TeV, no un veredicto definitivo sobre las dimensiones extra, la gravedad cuántica o el problema de jerarquía. 34