LHC não encontra buracos negros quânticos e restringe teorias
Análise de dados do detector CMS eliminou parte dos cenários que preveem dimensões extras e testou uma nova técnica de aprendizado de máquina.
Uma busca por buracos negros quânticos nos dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) não encontrou sinais desses objetos hipotéticos. O resultado, obtido por pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB) com dados do experimento CMS, restringe as condições em que esse tipo de fenômeno poderia existir.
O estudo analisou colisões entre prótons registradas pelo CMS de 2016 a 2018. Segundo os modelos examinados, os dados tornam improvável a produção de buracos negros quânticos até cerca de 12 TeV (teraelectronvolts) e limitam teorias que propõem dimensões espaciais extras.
Esses objetos seriam diferentes dos buracos negros astrofísicos. A hipótese é que eles poderiam surgir por uma fração extremamente curta de tempo caso a gravidade se tornasse muito mais intensa em escalas subatômicas. Depois, desapareceriam imediatamente, deixando possíveis sinais no padrão das partículas produzidas pela colisão.
O que os pesquisadores procuraram
A equipe buscou dois indícios principais: eventos com distribuição aproximadamente esférica, com partículas saindo em várias direções, e colisões que concentrassem uma quantidade excepcionalmente alta de energia nos produtos do decaimento.
Para separar esses eventos do grande volume de colisões convencionais, os pesquisadores usaram uma técnica chamada “distância no espaço de fase”, combinada a um sistema de aprendizado de máquina conhecido como máquina de vetores de suporte. O método representa propriedades como energia, momento, espaço e tempo em uma descrição multidimensional dos eventos.
De acordo com os pesquisadores, foi a primeira vez que a técnica de distância no espaço de fase foi aplicada a uma análise de dados de física de partículas. O desempenho foi comparado ao da variável de esfericidade, e o novo método apresentou resultado superior na identificação do padrão procurado.
A análise não encontrou evidências de produção de buracos negros quânticos. Em vez de encerrar a investigação, o resultado exclui uma parte do espaço de possibilidades previsto pelas teorias. Os autores descrevem esse tipo de conclusão como um limite de exclusão: se um fenômeno tivesse determinadas propriedades, deveria ter aparecido nos dados; como não apareceu, aquele conjunto de condições pode ser descartado.
Busca por uma teoria que una gravidade e física quântica
A hipótese dos buracos negros quânticos está ligada à tentativa de combinar a teoria quântica de campos, usada para descrever partículas, com a relatividade geral, que explica a gravidade e os objetos muito massivos.
Uma das possibilidades investigadas pelos físicos é a existência de dimensões espaciais adicionais. Nesses modelos, parte da força gravitacional poderia se espalhar por dimensões ainda não observadas. Em determinadas escalas, isso faria a gravidade parecer mais forte e poderia aproximar a energia necessária para produzir um buraco negro dos níveis alcançados pelo LHC.
Os resultados indicam que, dentro dos parâmetros das teorias analisadas, não seriam permitidas mais de duas dimensões extras. A conclusão não resolve o chamado problema da hierarquia, que trata da grande diferença entre a intensidade da gravidade e a das demais forças fundamentais, mas reduz o número de cenários ainda viáveis.
O mesmo estudo também procurou evidências de esfalerons, configurações instáveis de campos de partículas que poderiam ajudar a explicar a assimetria entre matéria e antimatéria no Universo. Nenhum sinal foi encontrado, e os pesquisadores estabeleceram limites para a frequência dessas possíveis transições.
O trabalho foi publicado na revista Progress in High Energy Physics. O LHC está atualmente desligado para a instalação de atualizações. A futura versão de alta luminosidade, conhecida como HL-LHC, deverá produzir conjuntos de dados maiores e ampliar a busca por eventos raros.
