Không tìm thấy hố đen lượng tử, LHC vẫn học được gì?

Trong dữ liệu từ các va chạm proton tại LHC, các nhà vật lý đã tìm kiếm một dấu hiệu cực hiếm: hố đen lượng tử siêu nhỏ, tồn tại gần như tức thời rồi phân rã. Họ không thấy dấu hiệu ấy. Tuy nhiên, kết quả không phải là một khoảng trống vô nghĩa: nó cho biết một số phiên bản của giả thuyết này khó có thể đúng trong vùng năng lượng đã được kiểm tra. [1]

Câu hỏi trung tâm vì thế không phải “hố đen ở đâu?”, mà là “một lần không phát hiện giúp khoa học biết thêm điều gì?”. Câu trả lời nằm ở giới hạn loại trừ: nếu một vật thể với những đặc tính nhất định tồn tại, thí nghiệm đáng lẽ đã nhận ra nó; khi dấu hiệu không xuất hiện, khoảng khả năng ấy có thể được thu hẹp. [1]

Vì sao LHC được dùng để tìm hố đen?

Hố đen quen thuộc trong thiên văn hình thành khi một lượng vật chất rất lớn bị nén vào vùng cực nhỏ. Hố đen lượng tử được giả thuyết trong nghiên cứu này lại hoàn toàn khác: nếu xuất hiện, nó sẽ nhỏ đến mức hạ nguyên tử và phân rã gần như ngay lập tức. Vì vậy, các nhà vật lý không chờ nhìn thấy một “quả cầu đen” trong máy dò, mà tìm dấu vết do quá trình phân rã để lại. [1]

LHC tăng tốc proton rồi cho chúng va chạm ở năng lượng rất cao. Năng lượng cao tương ứng với khả năng khảo sát những khoảng cách rất nhỏ, tương tự như một chiếc kính hiển vi có thể thấy chi tiết nhỏ hơn khi dùng bước sóng ngắn hơn. Trong các va chạm ấy, nếu đủ năng lượng bị tập trung vào một vùng đủ nhỏ, hố đen lượng tử có thể hình thành theo một số mô hình lý thuyết. [1]

Chiều không gian bổ sung liên quan thế nào?

Giả thuyết này cần một điều kiện đặc biệt: ngoài ba chiều không gian quen thuộc và chiều thời gian, có thể tồn tại thêm những chiều không gian chưa được quan sát. Nếu một phần sức mạnh của lực hấp dẫn “lan” vào các chiều đó, lực hấp dẫn có thể mạnh lên nhanh hơn khi khoảng cách giảm xuống. Khi ấy, thang năng lượng liên quan đến hấp dẫn lượng tử có thể gần hơn với mức mà LHC tiếp cận được. [1]

Đây là cách giải thích cho một câu hỏi lâu đời của vật lý: vì sao hấp dẫn yếu hơn rất nhiều so với các lực cơ bản khác. Nhưng chiều không gian bổ sung vẫn là giả thuyết, không phải đặc tính đã được xác nhận của tự nhiên. Hố đen lượng tử chỉ có thể xuất hiện trong một số mô hình, khi các điều kiện về năng lượng, kích thước và cách hấp dẫn thay đổi đồng thời được thỏa mãn. [1]

Các nhà vật lý tìm dấu hiệu nào?

Một hố đen lượng tử giả định sẽ phân rã thành nhiều hạt bay ra theo nhiều hướng. Vì thế, nhóm nghiên cứu xem xét độ “cầu” của sự kiện, tức mức độ các sản phẩm phân rã phân bố quanh va chạm thay vì tập trung thành một hướng nổi bật. Họ cũng tìm những sự kiện có tổng năng lượng của các hạt rất lớn, vì đó là đặc điểm được dự đoán cho tín hiệu cần tìm. [1]

Phân tích sử dụng dữ liệu CMS thu thập trong giai đoạn 2016–2018 và thử một phương pháp mới gọi là khoảng cách không gian pha. Không gian pha là cách biểu diễn đồng thời nhiều thuộc tính của hệ hạt, chẳng hạn năng lượng và động lượng. Phương pháp này kết hợp với Support Vector Machine, một kỹ thuật học máy có giám sát, để xếp hạng sự kiện nào giống tín hiệu giả định hơn. Điểm đáng chú ý là các bước toán học của phương pháp có thể được xem xét, thay vì chỉ nhận một kết quả từ một hệ thống khó giải thích. [1]

Không phát hiện thì loại trừ được gì?

Kết quả cuối cùng không cho thấy bằng chứng về hố đen lượng tử. Trong các mô hình được khảo sát, phân tích đặt ra giới hạn loại trừ đến khoảng 12 TeV. Nói đơn giản, nếu hố đen lượng tử có những đặc tính tương ứng trong vùng này, chúng đáng lẽ phải để lại nhiều sự kiện phù hợp hơn trong dữ liệu; việc không thấy chúng khiến phần khả năng đó trở nên khó chấp nhận. [1]

Giới hạn ấy không chứng minh rằng mọi hố đen lượng tử đều không tồn tại. Lý thuyết không đưa ra một vị trí duy nhất để tìm, mà thường mở ra cả một dải tham số: năng lượng, số chiều bổ sung và những thuộc tính khác có thể thay đổi. Mỗi lần tìm kiếm không thấy tín hiệu sẽ loại bớt một phần dải đó. Bản đồ của những nơi vật lý mới có thể ẩn náu vì thế nhỏ dần, dù câu hỏi lớn vẫn còn nguyên. [1]

Một diễn giải khác trong nghiên cứu cho rằng, với các tham số của những mô hình được xét, số chiều không gian bổ sung bị giới hạn ở mức không quá hai. Đây là kết luận phụ thuộc mô hình, không phải phép đo trực tiếp cho thấy vũ trụ chắc chắn có hay không có một số chiều nhất định. Phân biệt này quan trọng vì giới hạn loại trừ luôn trả lời câu hỏi có điều kiện: điều gì bị loại nếu ta chấp nhận những giả định cụ thể? [1]

Vì sao kết quả âm vẫn mở đường phía trước?

Trong vật lý hạt, nhiều khả năng lý thuyết cạnh tranh nhau có thể dự đoán những dấu hiệu gần giống nhau. Khi một vùng năng lượng không cho kết quả, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh mô hình, bỏ những phiên bản không còn phù hợp hoặc thiết kế cách tìm khác. Lịch sử săn tìm hạt Higgs cũng cho thấy việc loại trừ dần các vùng khả dĩ có thể góp phần dẫn tới phát hiện, dù hai trường hợp không phải là một quy trình giống hệt nhau. [1]

Phương pháp khoảng cách không gian pha còn có giá trị vượt ra ngoài hố đen lượng tử. Trong cùng nghiên cứu, nhóm tác giả tìm cả sphaleron, một cấu hình không ổn định được giả thuyết trong các trường hạt, nhưng cũng không thấy bằng chứng. Việc một công cụ có thể phân biệt các sự kiện hiếm và khác thường gợi ý rằng nó có thể được thử trong những cuộc tìm kiếm khác, nơi tín hiệu chưa được biết rõ từ trước. [1]

LHC trong tương lai sẽ có thêm dữ liệu khi chương trình High Luminosity Large Hadron Collider được triển khai. Nhiều dữ liệu hơn không bảo đảm hố đen lượng tử sẽ xuất hiện, nhưng giúp tăng cơ hội bắt gặp những quá trình cực hiếm và siết chặt hơn các giới hạn hiện tại. Nếu kết quả vẫn âm, các mô hình phải tiếp tục thay đổi; nếu có tín hiệu, nhà nghiên cứu sẽ cần kiểm tra nó bằng nhiều dấu hiệu độc lập. [1]

Điều chưa được giải đáp

Kết quả này không giải quyết bài toán hấp dẫn lượng tử, tức nỗ lực mô tả hấp dẫn và thế giới lượng tử trong một khung lý thuyết thống nhất. Mô hình Chuẩn mô tả rất tốt các hạt cơ bản, còn thuyết tương đối rộng mô tả hấp dẫn và những vật thể lớn; việc ghép hai cách mô tả vẫn là một trong những vấn đề sâu nhất của vật lý hiện đại. [1]

Điều LHC làm được ở đây khiêm tốn nhưng quan trọng: biến một dự đoán có thể kiểm tra thành một câu hỏi thực nghiệm, rồi dùng câu trả lời âm để thu hẹp các lựa chọn. Một cuộc tìm kiếm không bắt buộc phải kết thúc bằng phát hiện mới mới tạo ra tri thức. Đôi khi, giá trị của nó nằm ở việc chỉ rõ một nơi mà tự nhiên không cho phép ta tiếp tục tìm theo cách cũ. [1]