LHCで微視的ブラックホールは見つからず　CMSが質量8.4～11.4TeV未満を除外

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のCMS実験が、陽子衝突で生成される可能性のある微視的ブラックホールを探索したが、その証拠は見つからなかった。解析では、余剰次元を仮定する特定の理論モデルについて、半古典的ブラックホールの質量が8.4～11.4テラ電子ボルト（TeV）未満となる範囲を95％信頼水準で除外した。

研究チームは、2016～2018年に重心系エネルギー13TeVで収集された陽子・陽子衝突データを使用した。データ量は積分ルミノシティー138逆フェムトバーンに相当し、最終的な研究成果は2026年8月、学術誌「Journal of High Energy Physics」に掲載された。

■微視的ブラックホールと余剰次元

通常のブラックホールは、恒星などの大きな質量が極めて狭い領域に集中して形成される天体である。一方、一部の素粒子理論では、私たちが認識する3次元空間とは別に余剰次元が存在し、非常に短い距離では重力が見かけより強くなる可能性が考えられている。

こうしたモデルでは、量子重力が重要になる基本的なエネルギースケールが従来の想定より低くなり、LHCの陽子衝突で微視的ブラックホールが生成される可能性が生じる。これは余剰次元を導入して標準模型の階層性問題を説明しようとする理論の一部から導かれる仮説であり、微視的ブラックホールの存在が実験で確認されているわけではない。

今回の探索対象には、量子的な効果が重要となるほど小さなブラックホールを含む複数のモデルがある。論文が数値的な除外範囲を示した中心的な対象は、生成後に多数の粒子へ崩壊すると予測される半古典的ブラックホールである。

■崩壊で生じる多数の粒子を探索

微視的ブラックホールが生成されたとしても、検出器内に長く残るとは予想されていない。研究チームはブラックホールそのものではなく、その崩壊によって生じる多数の高エネルギー粒子の組み合わせを調べた。

CMS検出器では、こうした崩壊生成物がジェットやレプトン、光子、運動量の欠損として再構成される。研究チームは、事象に含まれる粒子の横運動量のスカラー和や、粒子が空間的にどの方向へ広がるかを示す特徴を利用し、既知の物理過程による背景事象と区別した。

解析には、衝突事象同士の運動学的な違いを多次元の位相空間上の距離として表す手法も導入された。この距離をサポートベクターマシンに入力し、微視的ブラックホールの信号に似た事象と背景事象を分類した。

■質量8.4～11.4TeV未満を除外

解析の結果、微視的ブラックホールの生成を示す統計的に有意な超過は確認されなかった。余剰次元を含む特定のモデルでは、半古典的ブラックホールについて質量8.4～11.4TeV未満の範囲が95％信頼水準で除外された。除外できる下限は、余剰次元の数やブラックホールの生成・崩壊条件によって異なる。

研究チームは、ひも理論に関連して提案されている高励起状態「ストリングボール」も同じデータで探索した。その証拠も見つからず、検証したモデルでは質量9.0～10.7TeV未満が95％信頼水準で除外された。

これらの結果は、余剰次元そのものが存在しないことを示すものではない。今回検証したモデルとパラメーターの組み合わせのうち、観測されていれば検出可能だった範囲を除外し、微視的ブラックホールやストリングボールが存在し得る条件を狭めた結果である。

■未検出でも理論を検証

素粒子物理学では、予測された信号が現れなかった場合でも、実験の感度が及んだ質量や生成確率の範囲を除外できる。こうした除外限界は、理論モデルが許容するパラメーター空間を狭め、次の探索で重点的に調べる領域を明確にする。

CMS実験のTamas Almos Vamiは研究発表で、証拠が見つかれば量子重力を直接研究する出発点になり得たと説明している。重力を記述する一般相対性理論と、素粒子の振る舞いを記述する量子論を両立させることは、現代物理学の主要課題の一つである。

今回の結果は微視的ブラックホールの存在を全面的に否定するものではなく、検証した条件下で信号が確認されなかったことを意味する。今後は、より多くの衝突データと高い感度を用いることで、今回の解析が届かなかった質量や生成条件を調べられる可能性がある。

元記事: Large Hadron Collider Search Finds No Quantum Black Holes