Физики эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере проанализировали данные протон-протонных столкновений, собранные с 2016 по 2018 год при энергии 13 ТэВ. Набор включает больше 10 квадриллионов событий — интегральная светимость составила 138 фб⁻¹. В анализе не нашли признаков микроскопических чёрных дыр, струнных шаров и электрослабых сфалеронов. Зато удалось установить самые строгие на сегодня ограничения для ряда теоретических моделей новой физики.

В моделях с дополнительными пространственными измерениями CMS исключил при доверительном уровне 95% микроскопические чёрные дыры с массами ниже 8,4–11,4 ТэВ — точная граница зависит от конкретной модели и числа измерений. Для струнных шаров исключён диапазон ниже 9,0–10,7 ТэВ. По сравнению с предыдущим анализом чувствительность к массам чёрных дыр выросла на 1–1,6 ТэВ, к струнным шарам на 1,3–1,9 ТэВ.

Отрицательный результат сужает пространство, где может скрываться новая физика. Чем больше областей параметров физики закрывают экспериментально, тем меньше возможностей остаётся для альтернативных теорий.

Особый интерес представляет способ поиска. Исследователи применили две стратегии. Первая искала необычные события по суммарному поперечному импульсу частиц и проверяла форму распределения фона. Вторая анализировала столкновения в многомерном фазовом пространстве, учитывая кинематические характеристики частиц, а затем применяла алгоритм опорных векторов SVM для разделения сигнала и фона.

SVM учился отличать события, похожие на обычные процессы Стандартной модели, от столкновений с необычной кинематикой. Для каждой пары событий вычислялось расстояние в фазовом пространстве, после чего алгоритм оценивал, насколько событие соответствует предполагаемому сигналу. Исследователи из UC Santa Barbara показали, что этот подход лучше отделял модельные сигналы от фона, чем сферичность разлёта частиц.

SVM относится к классическим методам машинного обучения, а не к нейросетям. Физики могут проследить, какие свойства событий влияют на разделение сигнала и фона. Такая интерпретируемость оказывается полезной при поисках новой физики, где необычный результат нужно тщательно проверить и объяснить, прежде чем объявлять открытием.

CMS также искал электрослабые сфалероны — нестабильные конфигурации полей, которые при огромных энергиях могут нарушать сохранение барионного и лептонного числа. Такие процессы интересуют физиков из-за загадки преобладания материи над антиматерией. Сигнала сфалеронов обнаружено не было. CMS установил верхний предел 0,0034 на долю кварк-кварковых взаимодействий выше номинального порога перехода 9 ТэВ, которые могли бы приводить к сфалеронному процессу.

Микроскопические чёрные дыры интересны потому, что некоторые модели с дополнительными измерениями допускают, что на очень малых расстояниях гравитация становится намного сильнее, чем следует из привычной картины мира. При достаточно высокой энергии столкновения частиц теоретически могли бы породить крошечную чёрную дыру, которая практически мгновенно распалась бы с выбросом множества частиц. CMS искал именно характерные продукты такого распада.

CMS планирует применить подобные методы к новым данным LHC и будущему массиву High-Luminosity LHC. Пока новая физика не проявилась, но карта областей, где ей разрешено прятаться, стала немного меньше.