El LHC descarta otro escondite para los agujeros negros cuánticos

Físicos de la Universidad de California - Santa Bárbara llevaron a cabo una exhaustiva búsqueda de agujeros negros microscópicos en los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, y no encontraron evidencia de su existencia. Este resultado, aunque negativo, acota significativamente las teorías que involucran dimensiones extra y la tan buscada teoría de la gravedad cuántica.

Los agujeros negros cuánticos hipotéticos serían extraordinariamente pequeños y efímeros. Si se pudieran producir en el LHC, su existencia podría ayudar a los físicos a abordar algunas de las preguntas más profundas sobre el espacio-tiempo y la gravedad. La búsqueda también permitió a los investigadores probar una nueva técnica para encontrar partículas raras y desconocidas.

"Si hubiéramos encontrado evidencia, podríamos haber comenzado a estudiar directamente la gravedad cuántica", afirmó Tamas Vami, investigador del experimento Compact Muon Solenoid (CMS). "Es un paso hacia la unificación de todas las fuerzas fundamentales conocidas, un objetivo que los físicos persiguen desde hace más de un siglo".

A pesar de no haber hallado pruebas de agujeros negros cuánticos, la ausencia de detecciones puede proporcionar información valiosa al descartar posibles ubicaciones donde podrían existir. "No es un callejón sin salida", explicó Danyi Zhang, estudiante de posgrado en el laboratorio de Incandela. "El resultado es un límite de exclusión, una afirmación publicable: 'Si esto existiera con estas propiedades, lo habríamos visto. No lo vimos, así que podemos descartarlo aquí'." Esto representa un conocimiento genuino sobre cómo funciona el universo.

Uno de los grandes enigmas en la física fundamental es la diferencia abismal entre la escala del universo que experimentamos y la escala de Planck, la energía fundamental asociada con la gravedad cuántica. Algunos físicos han propuesto que una nueva física o una simetría no descubierta podría explicar esta diferencia, y algunos efectos podrían aparecer en niveles de energía que el LHC puede alcanzar.

Años de experimentos han descartado muchas posibilidades teóricas, y la ausencia continua de señales claras de nueva física en el LHC se ha convertido en un desafío importante para los investigadores. Sin embargo, situaciones similares han ocurrido anteriormente, donde teorías existentes no lograron explicar observaciones, lo que condujo a nuevos marcos teóricos, como la teoría de la relatividad de Einstein.

Por esta razón, los investigadores sostienen que los resultados nulos son parte importante del progreso científico. Cada uno reduce el número de posibilidades viables y ayuda a determinar hacia dónde deben dirigirse los futuros experimentos.

La posibilidad de producir agujeros negros en el LHC surgió hace aproximadamente dos décadas. Se propuso que si se concentrara suficiente energía en una región extremadamente pequeña, y si existieran dimensiones espaciales extra (requeridas en la teoría de cuerdas), entonces podrían formarse agujeros negros cuánticos durante las trillones de colisiones de protones que genera el acelerador.

Estos objetos serían completamente diferentes de los enormes agujeros negros astrofísicos que se encuentran en todo el universo. "No durarían mucho; si se produjera uno, se desintegraría de inmediato", explicó Steven Giddings, teórico de la física en UCSB y experto en las implicaciones paradójicas de combinar la mecánica cuántica con la gravedad.

La búsqueda se centró en datos recopilados entre 2016 y 2018, utilizando dos enfoques para buscar evidencia de agujeros negros cuánticos. Uno de estos enfoques involucró una propiedad llamada esfericidad, que podría indicar la formación de un agujero negro que se desintegrara en una firma de decaimiento esférica, con muchas partículas yendo en todas direcciones.

Otro indicio sería una cantidad inusualmente alta de energía en las partículas producidas por una colisión. "Sabemos que los agujeros negros son de muy alta energía", dijo Zhang. "Así que sumamos la energía de estas partículas que son productos de decaimiento de lo que se creó en la colisión. Si la suma es lo suficientemente grande, podemos decir que esta es la región donde probablemente encontraremos la señal".

Los investigadores también aplicaron un nuevo método analítico conocido como "distancia en espacio de fase", desarrollado por el teórico de partículas Nathaniel Craig y colaboradores. Este método, combinado con un sistema de aprendizaje automático llamado Máquina de Soporte Vectorial, ayuda a distinguir eventos de señal posibles del enorme fondo de colisiones de partículas de alta energía convencionales.

El estudio encontró que no hay evidencia de producción de agujeros negros cuánticos, lo que significa que estos son poco probables hasta aproximadamente 12 TeV (teraelectrónvolts). Además, se restringen ciertas teorías que involucran dimensiones espaciales extra. Estas restricciones son valiosas científicamente, ya que eliminan partes del rango en el que estos modelos teóricos podrían operar.

Los resultados de Vami y Zhang fueron publicados en la revista Progress in High Energy Physics.