В конце января – начале февраля этого года по средствам массовой информации прокатилась очередная информационная волна о гипотетическом подтверждении угрозы со стороны Большого адронного коллайдера (БАК). Постараемся окончательно прояснить эту ситуацию.

Информация об угрозе со стороны БАК связана, главным образом, с именами двух физиков. Это Мэттью Чоптуик из университета Британской Колумбии (Канада) и Франс Преториус из Принстонского университета (США). Канадский и американский ученые провели симуляцию столкновения двух элементарных частиц, основываясь на гипотезе обруча. Согласно этой гипотезе, предложенной еще в 1972 году американским астрофизиком Кипом Торном, черная дыра образуется при столкновении двух частиц, если выделяющаяся при этом энергия оказывается внутри соответствующего ей гравитационного радиуса. В расчетах ученых сталкивающиеся частицы впервые представлялись в виде бозонных звёзд, схожих с моделями светил в виде сфер из жидкости. В результате, компьютерная модель показала, что сталкивающиеся элементарные частицы действительно могут образовать миниатюрную черную дыру. Однако для этого их суммарная энергия должна равняться как минимум 1/3 планковской энергии (энергия Планка = 1,22*10¹⁹ ГэВ = 1,22*10²⁸

В экспериментальных и теоретических исследованиях фундаментальных взаимодействий в ЦЕРНе (в том числе и в экспериментах на БАК) принимают участие и сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). Комментирует ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат.наук Андрей Миронов:

Если энергия столкновения двух частиц будет достаточно большой, то может случиться так, что за счет огромного притяжения этих частиц вылететь оттуда уже ничего не сможет – они образуют миниатюрную черную дыру. Для этого частицы должны столкнуться с энергией порядка 10¹⁹ ГэВ. Но максимально возможная на БАКе суммарная энергия пучков составляет 14 ТэВ (14*10¹² эВ) – это на целых 15 порядков меньше энергии Планка. Очевидно, что это делает такой сценарий образования черной дыры на БАК просто невозможным.

Тем временем, существует еще один сценарий образования черной дыры при столкновении элементарных частиц, согласно которому при больших энергиях столкновения могут открыться дополнительные измерения, способные значительно снизить энергию Планка. Этот сценарий основывается на известной физической теории Калуцы-Клейна.

Допустим, пространство, в котором мы живем, состоит больше чем из четырех (включая временную координату) измерений, например, из десяти, – рассказывает Андрей Миронов. – В этом случае каждое дополнительное пространственное измерение будет очень мало, и для того, чтобы влететь в него и начать там двигаться, частицы должны обладать очень высокой энергией. Никаким иным способом это дополнительное пространство мы заметить не сможем. Однако в отличие от обычных частиц, как предположили развивающие теорию Калуцы-Клейна физики Н. Аркани-Хамед, С. Димопулос и Г. Двали, в дополнительные измерения вполне может «влетать» гравитация. Так вот, несмотря на экспериментальное ограничение, накладываемое на дополнительное измерение, – оно должно быть меньше микрона – за счет его существования гравитация может измениться таким образом, что черные дыры смогут рождаться при энергии намного меньше 10¹⁹ГэВ – 1 ТэВ. Но, честно говоря, в то, что дополнительные измерения могут оказаться настолько большими гравитационно, практически никто из физиков не верит. Теоретически это довольно изысканная возможность. Но даже если такую возможность допускать, образовавшаяся миниатюрная черная дыра все равно тут же рассеется.

Механизм рассеяния черных дыр или, иначе говоря, излучение Хокинга, основывается на большой вероятности рождения вблизи горизонта черной дыры пар «частица-античастица». В обычных условиях родившаяся пара, скажем, электрон-позитронная, тут же превращается в «виртуальную» или аннигилирует. Но если такая пара рождается вблизи горизонта черной дыры, то может случиться так, что одна из частиц, скажем, позитрон, находясь ближе к горизонту черной дыры, притянется внутрь нее, в то время как электрон полетит в другую сторону. Со стороны это будет выглядеть так, будто электрон просто взял и родился из вакуума. Однако согласно закону сохранения энергии (или массы), энергия не может появиться из ниоткуда, как и частица не может родиться сама по себе. Следовательно, масса черной дыры должна уменьшиться ровно на массу вылетевшего электрона. Для большой черной дыры вероятность рождения пар частиц вблизи ее горизонта незначительна (а процесс рассеяния мало существенен), но для маленькой – довольно велика, поэтому миниатюрная черная дыра почти моментально испарится, так и не успев ничего притянуть.

Нужно сказать, что у некоторых людей и тут возникают сомнения – а что если такое объяснение процесса испарения окажется заблуждением, и черная дыра не испарится. На эти сомнения также есть ответный аргумент – даже если миниатюрные черные дыры и образуются, то они точно не опасны. Это подтверждают космические лучи, постоянно приносящие к нам из космоса частицы разных энергий, в том числе и превосходящих максимальную энергию Большого адронного коллайдера. Поэтому, если черные дыры могут родиться на БАКе, то они, несомненно, уже много раз рождались и в прилетающих на Землю космических лучах. Тем не менее, ничего страшного с Землей до сих пор не случилось, – подытоживает сотрудник ФИАНа.

Раннее на нашем портале был опубликован материал, в котором также отражалась точка зрения невозможности образования черных дыр при работе БАК.