Physiker der UC Santa Barbara haben die Suche nach mikroskopischen Schwarzen Löchern am Large Hadron Collider (LHC) des Europäischen Kernforschungszentrums (CERN) in neues Terrain vorangetrieben – und, wie es in der Teilchenphysik Tradition ist, nichts gefunden. Was, wie sie eilig hinzufügen, immer noch etwas ist.
Diese hypothetischen Schwarzen Löcher wären außerordentlich klein und kurzlebig. Könnten sie am LHC erzeugt werden, könnte ihre Existenz Physikern helfen, einige der tiefsten unbeantworteten Fragen zu Raumzeit und Gravitation anzugehen. Die Suche gab den Forschern zudem die Gelegenheit, eine neue Technik zum Auffinden seltener und bisher unbekannter Teilchen zu testen – denn warum sollte man ein perfekt gutes Nullergebnis verschwenden?
„Hätten wir Hinweise gefunden, hätten wir beginnen können, die Quantengravitation direkt zu untersuchen“, sagte Tamas Vami, ein Forscher am Compact-Muon-Solenoid-Experiment (CMS), der seine Postdoc-Arbeit unter der Anleitung des UCSB-Physikprofessors Joe Incandela durchführt. „Es ist ein Schritt zur Vereinheitlichung aller bekannten fundamentalen Kräfte, ein Ziel, das Physiker seit mehr als einem Jahrhundert verfolgen.“ Also, kein Druck.
Die Suche ergab keine Hinweise auf Quanten-Schwarze Löcher. Doch in der Teilchenphysik kann das Nichtauffinden von etwas immer noch wichtige Informationen liefern, indem es ausschließt, wo es existieren könnte – eine Disziplin, die fast vollständig auf dem wissenschaftlichen Äquivalent des Nachschauens unter dem Sofa aufgebaut ist.
„Es ist keine Sackgasse“, sagte Danyi Zhang, Doktorandin am Incandela-Lab. „Das Ergebnis ist ein Ausschlussgrenzwert, eine echte, publizierbare Aussage: ‚Wenn dieses Ding mit diesen Eigenschaften existierte, hätten wir es gesehen. Wir haben es nicht, also können wir es hier ausschließen.‘ Das ist echtes Wissen darüber, wie das Universum funktioniert.“ Echtes Wissen, geliefert in Form eines Achselzuckens bei einem sehr spezifischen Energiebereich.
Eines der großen Rätsel der fundamentalen Physik betrifft den enormen Unterschied zwischen der Skala des Universums, das wir erleben, und der Planck-Skala, der fundamentalen Energieskala der Quantengravitation. Einige Physiker haben vorgeschlagen, dass neue Physik oder eine unentdeckte Symmetrie diesen Unterschied erklären könnte. Entscheidend ist, dass einige dieser Effekte bei Energieniveaus auftreten könnten, die der LHC erreichen kann.
Jahrelange Experimente haben bereits viele theoretische Möglichkeiten ausgeschlossen, und das anhaltende Fehlen klarer Anzeichen neuer Physik am LHC ist zu einer großen Herausforderung für die Forscher geworden. Doch ähnliche Situationen gab es schon früher. Phasen, in denen bestehende Theorien Mühe hatten, Beobachtungen zu erklären, führten manchmal zu radikal neuen Rahmenwerken, einschließlich Einsteins Relativitätstheorie. Aus diesem Grund sagen die Forscher, dass Nullergebnisse ein wichtiger Teil des wissenschaftlichen Fortschritts sind. Jedes einzelne reduziert die Zahl der lebensfähigen Möglichkeiten und hilft zu bestimmen, wo zukünftige Experimente suchen sollten. Es ist im Wesentlichen das teuerste Marco-Polo-Spiel der Welt.
Vamis und Zhangs Ergebnisse sind in der Zeitschrift Progress in High Energy Physics (PHEP) veröffentlicht.
Die Möglichkeit, am LHC Schwarze Löcher zu erzeugen, kam vor etwa zwei Jahrzehnten auf. Physiker schlugen vor, dass, wenn genügend Energie in einem extrem kleinen Bereich konzentriert würde und wenn zusätzliche Raumdimensionen (die in der Stringtheorie ohnehin benötigt werden) existieren, dann könnten Quanten-Schwarze Löcher während der Billionen von Proton-Proton-Kollisionen entstehen, die der Beschleuniger erzeugt.
Diese Objekte wären nichts wie die riesigen astrophysikalischen Schwarzen Löcher, die im Universum zu finden sind.
„Sie würden nicht lange bleiben – wenn man eines erzeugte, würde es sofort zerfallen“, sagte der UCSB-Physiktheoretiker Steven Giddings, ein Experte für die paradoxen Implikationen der Kombination von Quantenmechanik und Gravitation und einer der wenigen Wissenschaftler, die damals vorschlugen, dass unter bestimmten Bedingungen diese winzigen Löcher in der Raumzeit existieren könnten.
Als Wissenschaftler die Möglichkeit erstmals diskutierten, wurde die Idee weithin missverstanden. Die öffentliche Besorgnis konzentrierte sich auf die Möglichkeit, dass der LHC stabile Schwarze Löcher erzeugen könnte, obwohl die Quanten-Schwarzen Löcher