Космический наблюдатель. Высокоэнергичные космические лучи могут создавать крошечные черные дыры. Этот детектор, установленный в Аргентине, уже в ближайшие годы может пронаблюдать такое событие.

Некоторые из наиболее интересных "единых теорий всего" требуют существования дополнительных измерений - помимо трех, доступных нашему восприятию. Возможно, масштабы их проявлений столь малы, что мы их не в состоянии зафиксировать. Но они могли бы позволить соударяющимся высокоэнергетичным частицам коллапсировать в микроскопические черные дыры, которые, в свою очередь, могут быть обнаружены. Предполагалось, что подобные экзотические объекты можно будет обнаружить не ранее конца этого десятилетия, однако, согласно публикации¹ от 14 января текущего года в PRL, уже запланированные на ближайшие несколько лет экпериментах по исследованию космических лучей способны приблизить их обнаружение.

Космические лучи - протоны и нейтрино высоких энергий, а также и другие частицы - нескончаемым дождем проникают в атмосферу Земли из непознанных пока областей космического пространства. Когда частица космического излучения сталкивается с протоном или нейтроном в атмосфере с достаточной силой, эта пара может "взорваться" каскадом частиц - широким атмосферным ливнем, - причем дальность разлета частиц достигает нескольких километров. При сверхвысоких энергиях космических лучей в результате такого столкновения возникает крошечная черная дыра, возникающая при сверхвысокой плотности вещества. Теория предсказывает, что эти "пространственно-временные омуты" должны распадаться на множество дочерних частиц, от мюонов до фотонов.

Для формирования миниатюрных дыр соударяющиеся частицы должны сблизиться настолько, чтобы гравитационное взаимодействие между ними стало доминировать над остальными. Это расстояние близко к так называемой планковской длине, которая в обычной теории гравитации равна 10^-33 см. Энергия, необходимая для формирования таких черных дыр, находится далеко за пределами как возможностей самых мощных ускорителей, так и наблюдаемых энергий космических частиц. Однако, если бы существовали достаточно обширные области повышенной размерности, то планковская длина возросла бы, а порог реакции - понизился. "Предсказание таких черных дыр - это один из наиболее волнующих прогнозов и, вместе с тем, их поиск - один из наиболее мощных способов обнаружения иных измерений," - говорит Джонатан Фенг из Калифорнийского университета в Ирвайне и Массачусетского Технологического Института (Jonathan Feng of the University of California at Irvine and MIT).

Фенг с Альфредом Шейпиром из Университета штата Кентукки в Лексингтоне (Alfred Shapere of the University of Kentucky in Lexington) работали над вычислением вероятности возникновения и обнаружения черных дыр в космических лучах. В своей работе, опубликованной в PRL, они рассматривают обсерваторию им. Пьера Оже (Pierre Auger Observatory), которая будет состоять из массива детекторов частиц, охватывающего площадь в 6000 квадратных километров, с многослойной системой флуоресцентных датчиков, сориентированной на небо. Космические нейтрино должны послужить ученым для доказательства существования такой черной дыры, объясняет Фенг, потому что эти частицы слабо взаимодействуют с атмосферой и способны проникать глубоко в атмосферу, где фон от обычных широких атмосферных ливней слабее. Поэтому он и Шейпир предлагают, чтобы в Обсерватории Оже проводились поиски следов черных дыр именно среди частиц, проделавших большой путь в атмосфере.

Расчеты показывают, что, в случае существования больших локальных проявлений повышенной размерности пространства Обсерватория Оже в первые несколько лет работы (которая начнется примерно в 2004 году) должна зарегистрировать от десятков до сотен ливней от черных дыр. "Это стало бы настолько революционным открытием, что я не связываю с ним всех своих надежд", замечает Шейпир. "На самом деле," - добавляет он, - "даже отсутствие таких ливней станет ценным научным результатом, поскольку установит ограничения на возможные масштабы проявления повышенной размерности." Физики не ожидали, что шанс проверить эти черные дыры появится до конца этого десятилетия, когда будет запущен Большой Адронный Коллайдер в ЦЕРНе (Женева [Large Hadron Collider (LHC), CERN]).

"Новый анализ - надежный способ проверить непривлекательную идею", говорит Френк Вильчек (Frank Wilczek) из MIT. "Гипотеза о локальной повышенной размерности пространства противоречит некоторым установившимся представлениям", отмечает он. "Я полагаю, что Фенг и Шейпир довольно убедительно продемонстрировали, как изучение высокоэнергетических ливней космических лучей может быть эффективным путем опровержения - или, да помогут нам Небеса, подтверждения гипотезы."

--JR Minkel

¹ (обратно к тексту) - Black Hole Production by Cosmic Rays
Jonathan L. Feng and Alfred D. Shapere Phys. Rev. Lett. 88, 021303 (print issue of 14 January 2002)

© 2002 The American Physical Society. Переведено из Physical Review Focus, 14 января 2002 г., http://focus.aps.org