Natuurkundigen van UC Santa Barbara hebben de zoektocht naar microscopische zwarte gaten bij de Large Hadron Collider (LHC) van het Europese Centrum voor Kernonderzoek (CERN) naar nieuw terrein gestuwd – en, zoals traditie is in de deeltjesfysica, niets gevonden. Wat, haasten ze zich te zeggen, nog steeds iets is.

Deze hypothetische zwarte gaten zouden buitengewoon klein en kortlevend zijn. Als ze bij de LHC geproduceerd konden worden, zou hun bestaan natuurkundigen kunnen helpen bij het aanpakken van enkele van de diepste onbeantwoorde vragen over ruimtetijd en zwaartekracht. De zoektocht gaf onderzoekers ook de kans om een nieuwe techniek te testen voor het vinden van zeldzame en voorheen onbekende deeltjes, want waarom zou je een perfect goed nulresultaat verspillen?

"Hadden we bewijs gevonden, dan hadden we quantumzwaartekracht direct kunnen bestuderen," zei Tamas Vami, een onderzoeker in het Compact Muon Solenoid (CMS)-experiment die zijn postdoctorale werk doet onder begeleiding van UCSB-hoogleraar natuurkunde Joe Incandela. "Het is een stap naar het verenigen van alle bekende fundamentele krachten, wat al meer dan een eeuw een doel is van natuurkundigen." Dus, geen druk.

De zoektocht onthulde geen bewijs voor quantumzwarte gaten. Maar in de deeltjesfysica kan het niet detecteren van iets nog steeds belangrijke informatie opleveren door uit te sluiten waar het zou kunnen bestaan – een discipline die bijna volledig is gebouwd op het wetenschappelijke equivalent van onder de bank kijken.

"Het is geen doodlopende weg," zei Danyi Zhang, onderzoeksstudent in het Incandela Lab. "Het resultaat is een exclusielimiet, wat een echte, publiceerbare uitspraak is: 'Als dit ding bestond met deze eigenschappen, dan hadden we het gezien. We hebben het niet gezien, dus we kunnen het hier uitsluiten.' Dat is echte kennis over hoe het universum werkt." Echte kennis, geleverd in de vorm van een schouderophalen bij een zeer specifiek energiebereik.

Een van de grote puzzels in de fundamentele natuurkunde betreft het enorme verschil tussen de schaal van het universum dat we ervaren en de Planck-schaal, de fundamentele energieschaal die geassocieerd wordt met quantumzwaartekracht. Sommige natuurkundigen hebben voorgesteld dat nieuwe natuurkunde of een onontdekte symmetrie dit verschil zou kunnen verklaren. Cruciaal is dat sommige van die effecten zouden kunnen verschijnen bij energieniveaus die de LHC kan bereiken.

Jaren van experimenten hebben al veel theoretische mogelijkheden geëlimineerd, en de voortdurende afwezigheid van duidelijke tekenen van nieuwe natuurkunde bij de LHC is een grote uitdaging geworden voor onderzoekers. Maar vergelijkbare situaties hebben zich eerder voorgedaan. Periodes waarin bestaande theorieën moeite hadden om waarnemingen te verklaren, hebben soms geleid tot radicaal nieuwe kaders, waaronder Einsteins relativiteitstheorie. Daarom zeggen de onderzoekers dat nulresultaten een belangrijk onderdeel zijn van wetenschappelijke vooruitgang. Elk resultaat vermindert het aantal levensvatbare mogelijkheden en helpt bepalen waar toekomstige experimenten moeten kijken. Het is in wezen 's werelds duurste potje Marco Polo.

De resultaten van Vami en Zhang zijn gepubliceerd in het tijdschrift Progress in High Energy Physics (PHEP).

De mogelijkheid om zwarte gaten te produceren bij de LHC ontstond ongeveer twee decennia geleden. Natuurkundigen stelden voor dat als er genoeg energie in een extreem klein gebied zou worden geconcentreerd, en als er extra ruimtelijke dimensies bestaan (die al vereist zijn in de snaartheorie), er dan quantumzwarte gaten zouden kunnen ontstaan tijdens de biljoenen proton-protonbotsingen die door de versneller worden gecreëerd.

Deze objecten zouden niets lijken op de enorme astrofysische zwarte gaten die door het hele universum te vinden zijn.

"Ze zouden niet lang blijven bestaan – als je er een maakte, zou het onmiddellijk desintegreren," zei UCSB-natuurkundetheoreticus Steven Giddings, een expert in de paradoxale implicaties van het combineren van quantummechanica met zwaartekracht, en een van de weinige wetenschappers die destijds voorstelden dat onder bepaalde omstandigheden deze kleine gaten in de ruimtetijd zouden kunnen bestaan.

Toen wetenschappers de mogelijkheid voor het eerst bespraken, werd het idee wijdverbreid verkeerd begrepen. Publieke zorgen richtten zich op de mogelijkheid dat de LHC stabiele zwarte gaten zou creëren, ook al zouden de quantumzwarte gaten