Fysiker vid UC Santa Barbara har drivit sökandet efter mikroskopiska svarta hål vid Large Hadron Collider (LHC) vid Europeiska organisationen för kärnforskning (CERN) in i nytt territorium – och, som traditionen bjuder inom partikelfysiken, hittat ingenting. Vilket, skyndar de sig att tillägga, fortfarande är något.

Dessa hypotetiska svarta hål skulle vara utomordentligt små och kortlivade. Om de kunde produceras vid LHC skulle deras existens kunna hjälpa fysiker att ta itu med några av de djupaste obesvarade frågorna om rumtid och gravitation. Sökandet gav också forskarna en chans att testa en ny teknik för att hitta sällsynta och tidigare okända partiklar, för varför slösa bort ett fullkomligt gott nollresultat?

"Hade vi hittat bevis skulle vi ha kunnat börja studera kvantgravitation direkt", säger Tamas Vami, forskare i Compact Muon Solenoid-experimentet (CMS) som gör sin postdoktorala forskning under handledning av UCSB-professorn i fysik Joe Incandela. "Det är ett steg mot att förena alla kända fundamentala krafter, vilket har varit en målsättning för fysiker i över ett sekel." Så, ingen press.

Sökandet avslöjade inga bevis för kvant-svarta hål. Men inom partikelfysiken kan misslyckandet med att upptäcka något fortfarande ge viktig information genom att utesluta var det skulle kunna existera – en disciplin som nästan helt bygger på den vetenskapliga motsvarigheten till att titta under soffan.

"Det är inte en återvändsgränd", säger Danyi Zhang, forskarstuderande vid Incandela Lab. "Resultatet är en uteslutningsgräns, vilket är ett verkligt, publicerbart uttalande: 'Om den här saken existerade med dessa egenskaper skulle vi ha sett den. Vi gjorde det inte, så vi kan utesluta den här.' Det är genuin kunskap om hur universum fungerar." Genuin kunskap, levererad i form av en axelryckning vid ett mycket specifikt energiintervall.

En av de stora gåtorna inom fundamental fysik handlar om den enorma skillnaden mellan skalan på det universum vi upplever och Planck-skalan, den fundamentala energiskalan förknippad med kvantgravitation. Vissa fysiker har föreslagit att ny fysik eller en oupptäckt symmetri skulle kunna förklara denna skillnad. Avgörande är att vissa av dessa effekter skulle kunna uppträda vid energinivåer som LHC kan nå.

År av experiment har redan eliminerat många teoretiska möjligheter, och den fortsatta frånvaron av tydliga tecken på ny fysik vid LHC har blivit en stor utmaning för forskarna. Men liknande situationer har inträffat förut. Perioder då befintliga teorier kämpade för att förklara observationer har ibland lett till radikalt nya ramverk, inklusive Einsteins relativitetsteori. Av den anledningen säger forskarna att nollresultat är en viktig del av vetenskapliga framsteg. Var och en minskar antalet livskraftiga möjligheter och hjälper till att avgöra var framtida experiment bör leta. Det är i grunden världens dyraste omgång Marco Polo.

Vamis och Zhangs resultat publiceras i tidskriften Progress in High Energy Physics (PHEP).

Möjligheten att producera svarta hål vid LHC uppstod för ungefär två decennier sedan. Fysiker föreslog att om tillräckligt med energi koncentrerades till en extremt liten region, och om extra rumsdimensioner (som redan krävs i strängteori) existerar, så skulle kvant-svarta hål kunna bildas under de biljoner proton-proton-kollisioner som acceleratorn skapar.

Dessa objekt skulle inte likna de enorma astrofysikaliska svarta hål som finns i universum.

"De skulle inte stanna kvar särskilt länge – om man gjorde en skulle den sönderfalla omedelbart", säger UCSB:s fysikteoretiker Steven Giddings, expert på de paradoxala implikationerna av att kombinera kvantmekanik med gravitation, och en av få forskare vid den tiden som föreslog att dessa små tomrum i rumtiden under vissa förhållanden skulle kunna existera.

När forskarna först diskuterade möjligheten blev idén allmänt missförstådd. Allmänhetens oro fokuserade på möjligheten att LHC skulle kunna skapa stabila svarta hål, även om kvant-svarta hålen