2026年9月17日——加州大学圣巴巴拉分校的物理学家扩展了在欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上寻找微观黑洞证据的搜索。  这些微小、转瞬即逝的物体在LHC上的形成，代表了理论学家试图解决人类对时空基本结构理解中异常的一条途径，而用于寻找它们的方法则展示了一种全新的新粒子搜寻方式。

“如果我们发现了证据，就可以开始直接研究量子引力，”Tamas Vami 说。他是紧凑缪子螺线管（CMS）实验的研究人员，正在加州大学圣巴巴拉分校物理学教授 Joe Incandela 的指导下进行博士后工作。“这是朝着统一所有已知基本力迈出的一步，而这一直是物理学家一个多世纪以来的目标。”

但零结果并不意味着徒劳的搜索，Incandela 实验室研究生研究员 Danyi Zhang 说。实际上恰恰相反。

“这不是死胡同，”她说。“这个结果是一个排除限，是一个真实、可发表的陈述：‘如果这个东西以这些性质存在，我们本应看到它。我们没有看到，所以可以在这里排除它。’这是关于宇宙如何运行的真正知识。”

宇宙的谜团之一在于，人类存在所处的尺度远低于已知的唯一基本能量尺度——普朗克尺度。这或许可以用新物理或人类尚未探测到的对称性来解释，而理论学家已经确定，这种新物理可能出现在LHC可触及的能量尺度上。许多新的理论可能性和实验搜索已经排除了大量可能性空间；LHC尚未发现新物理这一事实，为基础物理学带来了真正的难题。然而，类似情况以前也发生过，并带来了全新的范式，例如爱因斯坦的相对论。研究人员表示，在这种背景下，零结果是记录的重要组成部分，并有助于指导未来的想法和实验搜索。

Vami 和 Zhang 的结果发表在期刊 Progress in High Energy Physics （PHEP）上。

LHC上的黑洞

LHC上黑洞的概念始于几十年前，当时有人提出，如果能量足够高，并且存在额外空间维度（弦理论已经要求这些维度），那么量子黑洞有可能在LHC粒子加速器产生的数万亿次质子-质子碰撞中形成。

“它们不会存在很久——如果你制造出一个，它会立即瓦解，”加州大学圣巴巴拉分校物理学理论学家 Steven Giddings 说。他是研究量子力学与引力结合所带来悖论性含义的专家，也是当时少数提出在某些条件下这些微小时空空洞可能存在的科学家之一。

这些微观量子黑洞会瞬间蒸发这一事实，当时在大众想象中被误解了；人们抓住LHC可能产生稳定黑洞的消息，并大肆传播。

“人们更关注黑洞的经典行为，”Giddings 说，他指的是那些巨大的时空空洞，即极端引力区域，能够吞噬整颗恒星、增长、合并。这些LHC黑洞将是质子-质子碰撞以及尚未被发现的额外维度的结果。

“那么，制造一个黑洞需要什么？嗯，你必须把一些能量压缩到非常小的体积中，”Giddings 解释说。这个“非常小的体积”可能位于两个或更多假想的额外空间维度内，这些维度太小，以至于在人类所处的 3 + 1 维现实中无法察觉。它们的存在被提出来作为解决长期存在的基础物理学难题的一种方案，例如层级问题，该问题问的是，为什么引力比宇宙中其他基本力弱得多。这个问题属于更大的困难的一部分，即物理学家难以解释为什么人类看到的一切存在于如此低的质量和能量尺度上。

就引力而言，其想法是，引力实际上可能强得多，但它可能“泄漏”到这些额外维度中，这意味着普朗克尺度可能比人们想象的更接近人类的能量尺度。根据 Giddings 的说法，在那些更小的维度中，引力的效应会变得强得多。

“基本上，当你去往更短的距离时，引力会变得更强、更快，”他说。

于是，大型强子对撞机以及那些质子-质子碰撞产生的惊人能量登场了。

“在LHC上，我们以极高能量碰撞粒子，这对应于极小的距离尺度，”Incandela 说。“就像显微镜一样，更高能量意味着更小波长，使人们能够探测更小的距离。”他们在LHC上探测的尺度低至 10^-20 米——这个距离相对于原子，就如同原子相对于人类。Incandela 继续说：“额外维度不必那么小，这意味着LHC质子-质子碰撞可能会受到它们的影响。”在强引力环境中，这种极其致密的能量组合在理论上足以使时空自我折叠并产生量子黑洞。

围绕LHC黑洞的争议最终得到解决，因为安全报告以及与超高能宇宙射线在大气层上部或与其他天体相互作用造成的轰击进行比较后证实，这些高能碰撞不构成威胁，而且任何量子黑洞都会瞬间蒸发。尽管寿命极短，LHC物理学家意识到，他们有可能通过其衰变方式来探测它们。ATLAS 和 CMS 进行了早期搜索，没有发现任何证据，但这些搜索使用的是相对较小的数据集。

由于有更多数据可用，新的搜索得以推进到更高能量区域。因为量子黑洞是极为罕见的事件，如果它们存在，更多数据会增加它们被发现的概率。

“我们有两个描述自然的大理论，”Tamas Vami 说。“如果你想描述小的东西，你会用量子场论。我们有标准模型来描述所有粒子，它在实践中表现得异常出色。而当你去往非常、非常大的尺度时，你有广义相对论来描述大质量物体的行为。”他说，目标是以某种方式将两个理论合并为一个单一的统一理论，“而这真的很难做到，因为你并不常遇到既非常微小又极其沉重的情况。”

黑洞满足了经典物理学与量子物理学交叉的需求，尤其是微观黑洞，因为对于它们来说，量子效应会变得更加显著。

在他们的论文中，研究人员概述了两种方法，用于从 CMS 探测器在 2016 年至 2018 年间获取的数据中确定黑洞是否存在。

Incandela 解释说，其中一种涉及一种称为球形度的性质。

“你形成一个黑洞，它会立即瓦解。但它有非常球形的衰变特征，许多东西向各个方向飞散。”

另一种是高能量。

“我们知道黑洞具有非常高的能量，”Danyi Zhang 说。“所以我们基本上只是取这些粒子的能量——它们是在碰撞中产生的任何东西的衰变产物——然后将它们相加。如果总和足够大，我们可以说这就是我们可能找到信号的区域。”

这种事件结构也很适合加州大学圣巴巴拉分校粒子理论学家 Nathaniel Craig 及其合作者开发的一种新“相空间距离”方法。该方法使他们能够使用一种称为支持向量机的机器学习工具来进行粒子搜索。它帮助用户将所需信号事件的结构，与由已有过程产生的其他高能事件背景区分开来。“相空间”指的是一种数学上的多维映射，其中空间和时间的每一个维度，以及粒子系统的能量和动量，都被纳入一个单一位置。

“我们提出了事件之间相空间的想法，它可以与 SVM 结合来帮助搜索，”Craig 说。所有事件之间的距离被转换为一个称为 SVM 分数的单一变量。  分数越大，研究人员越有可能看到信号。这是该方法首次应用于粒子物理数据分析。

“我们将相空间距离与球形度变量进行了比较，我们的结论是相空间距离优于球形度，”Zhang 说。此外，与“黑箱”类型的机器学习不同，这种方法是监督式的，因此研究人员可以窥探结果背后的数学。

研究人员在搜索中没有发现量子黑洞产生的明显迹象，这意味着在某些理论所描述的情形下，能量最高约 12 TeV（太电子伏特）的量子黑洞不太可能存在，额外维度也不太可能存在。

这种限制很有价值，因为它为这些宇宙理论模型设定了具体界限。例如，Vami 说，弦理论假设总共有 10 个维度，“但这些测量表明，假设我们所考虑理论的参数，维度不能超过两个。”

“理论不会预测一个精确答案，”Zhang 补充说。“它们预测粒子可能隐藏的一整系列位置。每一次

搜索都会清除该范围的一部分，并说‘不在这里’，随着时间推移，新物理可能仍然存在的地图会缩小。”她继续说，希格斯玻色子等粒子最终就是这样被发现的——在 2012 年，经过数十年在一个又一个能量区域中进行严格排除的过程。这一过程既迫使人们提出更好的想法，也影响新模型的发展，以及新实验和探测器的设计。

因此，目前层级问题之谜仍然原封不动，而根据 Giddings 的估计，在没有额外维度的情况下，要产生最小的微克级黑洞，粒子碰撞所需的能量将是目前LHC产生能量的千万亿倍。

“理论学家会继续提出想法，也许我们能在没有实验数据的情况下更好地弄清楚问题，但这会很困难，”Giddings 说。“最好的指引是实验数据，而这正是我们真正希望拥有的，”他说，以研究量子引力，他称之为“理论物理学中最深刻的问题”。

对于实验学家 Vami 和 Zhang 来说，他们在对撞机目前所能达到的最高能量下开展的工作，使他们能够将标准模型测试到极致。他们的工作不仅为未来可能作为层级问题解决方案的量子黑洞搜索提供了方向，还表明一种可推广的新方法——相空间距离工具——能够促进对其他奇异且此前未知的粒子，以及不常见相互作用和条件的搜索。  

事实上，在同一篇论文中，研究人员记录了他们对 sphaleron 的搜索。sphaleron 不是粒子；相反，它们是粒子场的一种理论上的不稳定构型，与量子黑洞类似，会具有相当球形的能量特征。它们还可以解释物理学另一个基本谜团——物质-反物质不对称问题，或者说，为什么宇宙有物质，而大爆炸被认为以相等数量创造了物质和反物质，这些物质和反物质本应相互湮灭，只留下能量。研究人员在搜索中没有发现这些假想过程，从而对可能产生 sphaleron 跃迁的相互作用比例设定了限制。

“我们将对哪些理论可能为真施加限制，”Zhang 说。她期待未来在LHC获得升级后的新数据；该对撞机目前因安装一套雄心勃勃的升级设备而关闭。未来的高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）将使研究人员能够“更详细地研究物质的基本组成部分”，包括可能揭示早期宇宙如何演化的过程。