Článek
Pamatujete si na rok 2008? Ve zprávách se objevovaly titulky, že vědci ve Švýcarsku za chvíli spustí stroj, který může zničit svět. Lidé na Havaji dokonce podali žalobu, aby spuštění Velkého hadronového urychlovače (LHC) soud zastavil.
Jeden tábor tehdy tvrdil, že si fyzici hrají s ohněm. Druhý se smál, že jde o sci-fi pro lidi, kteří nerozumí fyzice. Uběhlo osmnáct let, Země je stále na svém místě a mikroskopické černé díry se staly tématem, u kterého se většina alespoň trochu zainteresovaných lidí jen pousměje.
Jenže fyzici je nepřestali brát vážně. Dál je v datech z LHC poctivě hledají. Tým z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře teď oznámil, že je znovu nenašel. A takový výsledek má větší cenu, než by se mohlo zdát.
Proč by v urychlovači vůbec vznikala černá díra
Začněme u jedné z nejpodivnějších věcí ve fyzice. Gravitace je nesmírně slabá. Zní to jako nesmysl, protože nás drží na zemi a planety na oběžných drahách kolem Slunce. Ale zkuste si to představit.
Malý magnet z lednice zvedne kancelářskou sponku ze stolu. Na jedné straně stojí kousek magnetického materiálu, na druhé přitažlivost celé planety Země. A magnet vyhraje. Fyzici tomu nepoměru mezi gravitací a ostatními silami říkají problém hierarchie a desítky let si nad ním lámou hlavu.
Jedno z odvážných vysvětlení zní, že vesmír má více prostorových rozměrů, než vidíme. Gravitace by se do nich „rozlévala“, a proto by v našem trojrozměrném světě působila tak slabě. Představte si to jako vodu z hadice. Když ji pustíte úzkou trubkou, tlačí silně. Když ji rozstříknete do široké plochy, sotva ji ucítíte.
Pokud by ty skryté rozměry existovaly, gravitace by na nepatrných vzdálenostech mohla být mnohem silnější. A v tom případě by srážky protonů v LHC mohly mít dost energie na vznik mikroskopické, takzvané kvantové černé díry.
Jak by taková černá díra vypadala v detektoru
Tady je potřeba vyvrátit hollywoodskou představu. Kvantová černá díra by nebyla temná koule, která pomalu požírá laboratoř. Podle fyziků ze Santa Barbary by nevydržela prakticky ani okamžik. Kdyby vznikla, okamžitě by se rozpadla.
Po ní by v detektoru zůstal velmi charakteristický otisk. Z místa srážky by se rozlétly částice všemi směry najednou: miony, elektrony, fotony i celé spršky dalších částic. Běžné srážky mají spíše protáhlý tvar, jako když se dvě auta čelně srazí a trosky letí hlavně dopředu a dozadu. Rozpad černé díry by připomínal ohňostroj, který vybuchne do všech stran rovnoměrně.
Tým, ve kterém pracovali Tamas Vami, Danyi Zhang a profesor Joe Incandela, prošel data z detektoru CMS, jednoho ze dvou největších experimentů na LHC, z let 2016 až 2018, přičemž hledali právě takové „kulaté“ ohňostroje.
Umělá inteligence proti šumu
Hledat takový signál je jako hledat jednu konkrétní tvář na fotografiích z celého fotbalového stadionu, a to na miliardách fotografií naráz. Většina srážek je obyčejný šum a skutečný signál by v něm snadno zanikl.
Proto tým použil novou metodu strojového učení, kterou autoři nazývají vzdálenost ve fázovém prostoru. Zjednodušeně řečeno algoritmus neposuzuje jen to, jak „kulatá“ je srážka, ale porovnává celkový vzorec rozletu částic s tím, jak by vypadal skutečný rozpad černé díry.
Tým hledal i takzvané sfalerony. Jde o teoretické jevy, které by mohly vysvětlit, proč je ve vesmíru hmota, a nikoliv stejné množství antihmoty. Ani po nich data nenesou stopu.
Nic nenašli. A to je výsledek
Černé díry se v datech neukázaly. Pro mnoho lidí to zní jako neúspěch. Ve fyzice to ale funguje jinak.
Negativní výsledek vědcům říká, kde hledat nemají. Nová analýza podle ScienceDaily ukazuje, že by kvantové černé díry, pokud vůbec existují, vyžadovaly energie nad zhruba 12 teraelektronvoltů (TeV). Pod touto hranicí je data z detektoru CMS vylučují.
A výsledek omezuje i teorie o skrytých rozměrech. „Tato měření říkají, že nemůžete mít více než dva,“ shrnul Tamas Vami testované modely. Doktorandka Danyi Zhang to popisuje jako vymezení hranice, které přináší skutečné poznání o tom, jak vesmír funguje.
Proč se Zemi nic nestalo a nestane
Teď zpátky k obavám z roku 2008. Mikroskopické černé díry nikdy nebyly reálnou hrozbou a důvody jsou překvapivě elegantní.
Bezpečnostní skupina CERNu pro LHC (LSAG) tehdy dospěla k závěru, že srážky v LHC nepředstavují žádné nebezpečí. Nejsilnější argument přitom nepochází z laboratoře, ale z vesmíru. Jak shrnuje přehled na Wikipedii, do Země už miliardy let narážejí částice kosmického záření s energiemi daleko vyššími, než jaké umí jakýkoli urychlovač.
Příroda tedy „experiment LHC“ opakuje nepřetržitě, a to v mnohem větším měřítku. Kdyby z takových srážek mohly vznikat nebezpečné černé díry, dávno by spolykaly nejen Zemi, ale i neutronové hvězdy a bílé trpaslíky.
A mimochodem, žaloba z Havaje dopadla podle očekávání. Soud ji v září 2008 odmítl, protože k projektu LHC neměl pravomoc.
Kam dál
Hledání tím nekončí. Urychlovač se chystá na velké vylepšení, po kterém ponese název LHC s vysokou luminositou. Srážek bude mnohem více a detektory tak budou mít větší šanci zachytit i velmi vzácné jevy.
Přitom tu stojí za připomenutí, jak vzácné jevy LHC dokáže najít. Už dříve jsem psal o tom, jak fyzici v CERNu zachytili částici, která žije jen zlomek miliontiny vteřiny. Když stroj dokáže tohle, má slušnou šanci zachytit i ohňostroj mikroskopické černé díry.
Věda, která umí říct „není to tady“
Mediálně nejsou negativní výsledky nijak atraktivní. „Fyzici nic nenašli“ se sdílí mnohem hůře než „fyzici možná zničí svět“. Jenže právě v tom je rozdíl mezi vědou a senzací.
Senzace potřebuje příběh, který se hodí. Věda potřebuje data, i když příběh zkazí. Tým ze Santa Barbary udělal přesně to, co má poctivý výzkum dělat: vzal krásnou teorii, postavil ji proti realitě a přiznal, že v testovaném rozsahu neobstála.
A obavy z roku 2008? Dnes už víme, že planeta podobné srážky od přírody zažívá celou svou historii. A pořád tu je.
P.S.
Díky, že jste dočetli až sem! Na fyzice mě nejvíce baví, že umí přiznat, když krásná teorie neobstojí, a přesto jde dál. Najít za titulky skutečné výsledky a převést je do lidské řeči ale zabere poměrně dost času. Jestli vás článek posunul, vaše podpora mi pomůže psát další texty, které vysvětlují vesmír bez strašení i bez nudy. I malý příspěvek pomůže.
