对撞机新成果：为量子引力理论划定更严边界！

近日，加州大学圣巴巴拉分校的物理学家利用欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的数据，完成了迄今最深入的微观量子黑洞搜寻之一。结果显示，并未发现任何量子黑洞存在的证据。这一“零结果”并非死胡同，而是为涉及额外维度与量子引力的理论设定了更严格的限制，将此类奇异现象可能存在的范围大幅缩小。相关成果已发表在《高能物理进展》期刊上。

在LHC上产生微观黑洞的设想约二十年前被提出。若足够能量集中于极微小区域，且存在额外空间维度，质子—质子碰撞中就可能形成量子尺度黑洞。这些黑洞与宇宙中的超大质量天体物理黑洞截然不同：它们极其微小、寿命极短，几乎会在瞬间蒸发瓦解。正因如此，公众曾担忧LHC会产生稳定黑洞，但物理学家所研究的量子黑洞并不构成威胁，超高能宇宙射线的天然对比研究也已妥善解决安全性疑虑。

隐藏维度可能使引力在极小尺度上显著增强。一种解释“等级问题”的假设认为，引力本质强度并不像表面那样微弱，部分强度可能“泄漏”到额外维度中，使普朗克尺度更接近实验可达到的能量范围。LHC将质子加速到极高能量后碰撞，可探索小至10至20米的尺度。若引力在那些尺度上足够强，时空理论上可能自身折叠，形成量子黑洞，其衰变会留下球形度极高、能量异常集中的可探测痕迹。

研究人员分析了2016至2018年CMS探测器数据，最终搜索未发现量子黑洞证据。根据所考察的理论模型，约12 TeV以下能量范围内量子黑洞不太可能存在，这对额外维度理论构成限制。例如弦理论假定总共10个维度，但新测量表明，在假定理论参数不变时最多只能拥有两个维度。理论预测的是粒子可能藏身的整个范围，每次搜索排除一部分，新物理仍可能存在的区域地图便不断缩小。希格斯玻色子正是经过数十年逐一排除能量范围后，于2012年才被发现。

目前，层次问题仍未解决。若无额外维度，产生最小黑洞所需能量约为LHC当前能量的千万亿倍。研究人员还利用同一项研究搜寻了斯法勒隆——一种可能与正反物质不对称问题相关的理论构型，同样未发现证据，从而设定了相关相互作用数量的上限。随着高亮度大型强子对撞机升级完成，科学家将获得更大数据集，继续深入探索物质基本组成与早期宇宙演化机制。
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