В 2008 году, когда Большой адронный коллайдер только готовился к запуску, группа исследователей из США и Великобритании представила инструмент, способный впервые заглянуть за горизонт событий — в прямом смысле. Программа BlackMax, созданная физиками из Университета Западного резервного района, Оксфорда и Лондона, должна была помочь ответить на вопрос, который десятилетиями будоражил теоретиков: могут ли черные дыры рождаться в земных условиях и как именно они распадаются?

Речь шла не о космических монстрах, пожирающих звезды, а о микроскопических объектах, существование которых предсказывают некоторые модели с дополнительными измерениями пространства. Если эти модели верны, столкновения протонов в коллайдере способны на кратчайшие доли секунды создавать крошечные черные дыры. BlackMax как раз и моделировала их поведение, чтобы экспериментаторы на детекторе ATLAS знали, что искать.

Охота за обломками с математической точностью

Работа на ATLAS, по словам участников проекта, напоминает расследование авиакатастрофы: поисковые команды собирают обломки, а затем по ним восстанавливают картину крушения. В случае с черными дырами «обломками» служат частицы, разлетающиеся при их распаде. BlackMax выдавала теоретическую форму распределения этих частиц — своего рода фоторобот события, который предстояло сравнить с реальными данными.

Первые же расчеты принесли интригующие результаты. Оказалось, что черные дыры, если они вообще появятся в коллайдере, должны рождаться вращающимися. Это не просто техническая деталь: вращение влияет на то, как объект распадается. Моделирование показало, что при распаде таких черных дыр должно рождаться больше частиц, чем при обычных взаимодействиях, описываемых Стандартной моделью. Более того, эти частицы будут распределены в пространстве почти изотропно — то есть равномерно во всех направлениях, а не сгруппированы в струи, как при типичных протонных столкновениях.

Гравитоны и мост между теориями

Пожалуй, самым заманчивым предсказанием стала возможность рождения гравитонов — гипотетических частиц, переносящих гравитационное взаимодействие. В обычных условиях зарегистрировать их невероятно трудно: гравитация слишком слаба по сравнению с другими силами. Но в хаосе распада микроскопической черной дыры, где на мгновение сходятся квантовые эффекты и чудовищная гравитация, гравитоны могли бы проявить себя.

Если бы детектор ATLAS поймал такой сигнал, это стало бы прорывом, о котором физики мечтали со времен Эйнштейна. Обнаружение черных дыр на коллайдере открыло бы путь к объединению двух величайших теорий ХХ века — квантовой механики и общей теории относительности. Первая описывает мир элементарных частиц, вторая — гравитацию и структуру пространства-времени. Пока они существуют как два отдельных, нестыкующихся описания реальности. Черные дыры — естественная лаборатория, где обе теории должны работать одновременно, и поймать этот момент в эксперименте значило бы сделать шаг к «теории всего».

Кстати, сама идея, что коллайдер может породить нечто подобное, в те годы вызывала не только научный энтузиазм, но и страхи — вплоть до опасений, что микроскопическая черная дыра поглотит Землю. Физики не раз объясняли, что подобные объекты, если и возникнут, испарятся почти мгновенно благодаря излучению Хокинга, не успев причинить вреда. Но сама возможность их появления оставалась под вопросом — и BlackMax была призвана превратить этот вопрос из предмета споров в проверяемую гипотезу.

Что показал коллайдер?

С момента запуска БАК прошло больше пятнадцати лет. Детектор ATLAS накопил колоссальный объем данных, и физики тщательно искали в них следы микроскопических черных дыр. Пока такие поиски не увенчались успехом: ни характерного избытка изотропных частиц, ни событий с недостающей энергией, которую могли бы унести гравитоны, зарегистрировано не было. Это не означает, что идея закрыта — возможно, черные дыры рождаются при энергиях, пока недоступных коллайдеру, или модели требуют уточнения. BlackMax, однако, сыграла свою роль: она задала четкие критерии того, как должно выглядеть событие, и позволила уверенно сказать, что в изученном диапазоне энергий ничего похожего не обнаружено.

История с BlackMax — хороший пример того, как наука работает с самыми экзотическими гипотезами. Вместо того чтобы гадать, физики пишут программу, моделируют процесс и затем честно сравнивают предсказание с экспериментом. Даже отрицательный результат здесь — не провал, а шаг к более глубокому пониманию. В конце концов, загадка черных дыр, их горизонта событий и того, что скрывается за ним, по-прежнему ждет своего решения — будь то в данных коллайдера, в наблюдениях гравитационных волн или в каких-то совершенно новых экспериментах, о которых мы пока не догадываемся.