CMS hittar inga mikroskopiska svarta hål – ny ML-metod ger skarpare gränser

CMS-samarbetet har gått igenom hela datamängden från LHC:s andra körperiod, 2016–2018: 138 fb⁻¹ proton–proton-kollisioner vid 13 TeV. Resultatet är ett nollresultat: inga statistiskt signifikanta tecken på mikroskopiska svarta hål, strängbollar eller elektrosvaga sfaleroner. Därmed blir vissa konkreta modeller för gravitation vid TeV-skalan och stora extra dimensioner betydligt hårdare begränsade – men extra dimensioner som idé är inte avfärdade. 34

Så användes maskininlärning i fasrummet

Den riktade sökningen letade efter händelser med ett särskilt mönster: många energirika partiklar, spridda relativt jämnt i detektorn. Ett mikroskopiskt svart hål skulle, om det bildades i en kollision, sönderfalla i stort sett omedelbart till vanliga partiklar. Liknande högenergimönster används också som riktmärke i sökningen efter elektrosvaga sfaleroner.

CMS använde ett mått på avstånd i fasrummet. En kollision beskrivs då genom flera uppmätta rörelsemängder och energier i ett mångdimensionellt rum; händelser som ligger nära varandra har liknande kinematik. I stället för att enbart leta efter avvikelser i en enskild variabel kunde analysen alltså gruppera händelser efter deras samlade egenskaper. En SVM-klassificerare (support vector machine) tränades sedan för att dra en gräns mellan simulerade signalliknande händelser och den vanliga bakgrunden från händelser med många jetstrålar. 14

Metoden kompletterade en bredare, modelloberoende sökning. Där användes den skalära summan av partiklarnas transversella rörelsemängd, (S_\mathrm{T}), i händelser med jetstrålar, leptoner eller fotoner. Båda strategierna riktades mot den ovanliga ytterkanten av datamaterialet: mycket hög energi och många slutpartiklar. 4

Inga överskott – men tydligare uteslutningar

Varken den inkluderande (S_\mathrm{T})-analysen eller de särskilda fasrumsregionerna visade något överskott som inte kan förklaras av standardmodellen. 34

För de modeller CMS testade innebär det följande gränser vid 95 procents konfidensnivå:

• Semiklassiska svarta hål: massor under 8,4–11,4 TeV utesluts, beroende på modell för det svarta hålet, gravitationsskalan och antalet antagna extra dimensioner. Ofta sammanfattas resultatet som ungefär 9–11,4 TeV. 3
• Strängbollar: massor under 9,0–10,7 TeV utesluts i de relevanta referensscenarierna. 3
• Elektrosvaga sfaleroner: CMS sätter en övre gräns på 0,0034 för den andel kvark–kvark-interaktioner över den nominella tröskeln på 9 TeV som kan ge den modellerade övergången. 3

I gynnsamma scenarier flyttar analysen gränsen för svarta hål ungefär 1–1,6 TeV högre än i tidigare sökningar. Den exakta förbättringen beror på vilket riktmärkesscenario som jämförs. 3

Vad det betyder för extra dimensioner

Modeller med stora extra dimensioner har bland annat föreslagits som ett sätt att angripa hierarkiproblemet: den enorma skillnaden mellan den observerade fyrdimensionella Planckskalan för gravitation och den elektrosvaga energiskalan. I vissa varianter blir gravitationen stark redan kring TeV-skalan. Då skulle extrema objekt, som mikroskopiska svarta hål eller strängbollar, i princip kunna bildas i partikelkollisioner.

CMS-resultatet motbevisar inte den breda idén. Det utesluter de delar av specifika modeller som förutspår att svarta hål eller strängbollar skulle bildas tillräckligt ofta och vid tillräckligt låg massa för att ha synts i just detta datamaterial. Gränserna är beroende av antaganden om de extra dimensionernas geometri och storlek, den fundamentala gravitationsskalan, tröskeln för svart håls-bildning och hur objekten sönderfaller. 3

Därför är det också missvisande att tolka gränser för ett visst antal extra dimensioner som en direkt mätning av hur många rumsliga dimensioner naturen har. De gäller enbart inom de angivna modellramarna. I olika teorikonstruktioner kan extra dimensioner ha helt olika karakteristiska storlekar, från ungefär invers TeV-skala till millimeterskala. 1

Nästa steg: High-Luminosity LHC

High-Luminosity LHC, den planerade uppgraderingen med långt fler kollisioner, kan framför allt öka känsligheten för mycket sällsynta händelser med högt (S_\mathrm{T}) och många partiklar. Mer data innebär att man kan pröva mindre produktionssannolikheter och potentiellt högre tröskelmassor för svarta hål och strängbollar, eller lägre sannolikheter för sfaleronövergångar.

Det förutsätter också detektorer, triggersystem och analysmetoder som fungerar i en miljö med många överlagrade kollisioner. Men mer luminositet ersätter inte högre kollisionsenergi: ligger den relevanta tröskeln bortom de energier som protonernas beståndsdelar kan nå vid LHC, behövs till sist en collider med högre energi.

Slutsatsen

Den fasrumsbaserade ML-metoden ger CMS ett nytt sätt att söka efter ovanliga strukturer i ett mycket stort kollisionsmaterial. Ingen ny fysik har ännu visat sig, men gränserna har skärpts för de testade modellerna: svarta hål upp till 11,4 TeV, strängbollar upp till 10,7 TeV och en stram gräns för den modellerade sfaleronövergången. Det är betydelsefulla begränsningar för specifika vägar till gravitation vid TeV-skalan – inte ett slutgiltigt besked om extra dimensioner, kvantgravitation eller hierarkiproblemet. 34