Квантовая гравитация естественным образом связывается с планковским масштабом, где энергия порядка EPl ∼ 1019 ГэВ. Этот уровень на много порядков превышает доступные в современных ускорителях энергии, что делает прямое наблюдение квантово-гравитационных эффектов практически невозможным. Тем не менее, физика высоких энергий предоставляет косвенные пути для проверки гипотез квантовой гравитации. Основная идея заключается в том, что квантово-гравитационные поправки могут проявляться в виде малых отклонений от предсказаний Стандартной модели и общей теории относительности при энергиях существенно ниже планковских.
Использование эффективных теорий поля позволяет параметризовать влияние квантовой гравитации через добавление операторов высокой размерности к лагранжиану Стандартной модели. Эти операторы подавлены степенями планковской массы, но могут проявляться в процессах, где чувствительность экспериментов достигает крайне высокой точности. Примеры таких эффектов:
Коллайдерные эксперименты, такие как LHC (Большой адронный коллайдер), обеспечивают платформу для поиска таких малых эффектов. Несмотря на то, что энергии LHC ( ∼ 104 ГэВ) далеки от планковских, чувствительность к новым физическим процессам может проявляться благодаря высокой интенсивности и точности измерений.
Один из способов сближения масштабов квантовой гравитации с энергиями коллайдеров — введение дополнительных пространственных измерений. В моделях типа Аркани-Хамеда–Димопулоса–Двали (ADD) или Рэндалла–Сандрума (RS) предполагается, что фундаментальный гравитационный масштаб может быть снижен до значений порядка тераэлектронвольт. В этом случае на ускорителях становится возможным рождение квантово-гравитационных объектов, таких как микроскопические черные дыры или возбуждения гравитона.
Ожидаемые проявления на коллайдерах:
В случае существования пониженного планковского масштаба (MPl ∼ 1 − 10 ТэВ), столкновения на LHC могли бы приводить к образованию микроскопических черных дыр. Такие объекты испаряются за крайне короткое время, оставляя специфический сигнатур — каскад множества частиц с распределением, близким к термическому. Несмотря на активные поиски в течение первых десятилетий работы LHC, убедительных свидетельств в пользу таких событий получено не было, что позволяет накладывать строгие ограничения на параметры моделей дополнительных измерений.
Коллайдерные эксперименты тесно связаны с космологией: многие сценарии новой физики, проверяемые в ускорительных установках, перекликаются с условиями ранней Вселенной. Квантовая гравитация может оставлять следы в спектре космологических возмущений, в структуре инфляционных моделей и в распределении космических лучей ультравысоких энергий. Совместный анализ данных космологии и высокоэнергетических экспериментов позволяет сужать пространство возможных теорий квантовой гравитации.
Еще одним важным направлением является поиск нарушений CPT- и CP-инвариантности, а также возможной дискретной структуры пространства-времени. Коллайдерные данные дополняются результатами экспериментов с нейтрино, прецизионными измерениями времени жизни частиц и наблюдениями в астрофизике высоких энергий. Обнаружение даже малейшего отклонения от предсказаний Стандартной модели может служить косвенным свидетельством квантово-гравитационных процессов.
Для более глубокого проникновения в область возможных квантово-гравитационных эффектов необходимы новые поколения ускорителей:
Эти установки могут повысить чувствительность к эффектам квантовой гравитации на порядок и более, что даст возможность проверить сценарии, в которых гравитация начинает проявляться на энергиях, достижимых в лабораторных условиях.