Simulation der Zerstrahlung eines Schwarzen Lochs

Schwarze Löcher am LHC?

Sollte unser Universum in mehr als drei Raumdimensionen existieren, so ließen sich an Teilchenbeschleunigern wie dem LHC womöglich winzig kleine Schwarze Löcher erzeugen. Die Entdeckung dieser exotischen Gebilde wäre eine wissenschaftliche Sensation.

Unser Alltagsempfinden ist diesbezüglich kategorisch: Die Welt, in der wir leben, besitzt drei Raumdimensionen – oben/unten, links/rechts, vorne/hinten. Zu diesen kommt die Zeit als vierte Dimension hinzu. Diese scheinbar unerschütterliche Grundfeste unseres Weltbilds wird in jüngster Zeit jedoch zunehmend in Frage gestellt: Einige Theorien jenseits des Standard-Modells der Teilchenphysik (zum Beispiel die Stringtheorie) postulieren, dass unser Universum tatsächlich neben den uns bekannten auch zusätzliche Raumdimensionen besitzt, die uns nur bisher verborgen geblieben sind. Doch wie ließe sich die Existenz solcher Extra-Dimensionen experimentell nachweisen?

Extra-Dimensionen: Eine Chance für kleine Schwarze Löcher

Eine exotisch anmutende Möglichkeit, den Schleier über den Extra-Dimensionen zu lüften, ergibt sich womöglich beim Forschungszentrum CERN in Genf am Protonenbeschleuniger „Large Hadron Collider“, LHC. Sollte es gelingen, in den hochenergetischen Teilchenkollisionen am LHC winzig kleine Schwarze Löcher zu erzeugen, so würde das auf Möglichkeiten hinweisen, die bislang wie Science-Fiction anmuten: Unser Universum könnte sich in weit mehr Dimensionen erstrecken, als unser eingeschränktes Alltagsempfinden uns offenbart. 

Der gängigen Theorie zufolge ist die Mindestenergie, die zur Erzeugung eines mikroskopisch kleinen Schwarzen Lochs notwendig ist, die so genannte Planck-Energie, 15 Größenordnungen, also Zehnerpotenzen, höher als die Energien, welche die modernsten Teilchenbeschleuniger erreichen können – Schwarze Löcher im Labor zu erzeugen, wäre damit unmöglich (siehe Artikel „Schwarze Löcher – im Weltall und im Mikrokosmos“).

In Theorien mit zusätzlichen, ausreichend großen Raumdimensionen sinkt diese Planck-Energie jedoch auf weit kleinere Werte, die in Reichweite moderner Beschleuniger liegen. Mit der Existenz von Extra-Dimensionen ließen sich an Teilchenbeschleunigern wie dem LHC also möglicherweise kleine Schwarze Löcher erzeugen.

Entstehung und Ende eines Schwarzen Lochs

Vierteiliges Diagramm: 1. Kollision von zwei Teilchen, die in einer horizontalen Ebene über die Gravitationskraft miteinander wechselwirken; 2. Wechselwirkung der Teilchen in einer zusätzlichen Extra-Dimension, die als Höhe eines Kubus dargestellt ist; 3. Vereinigung der beiden Teilchen, es entsteht ein Trichter in dem Kubus; 4. der Kubus ist nun mit Strahlung ausgefüllt, die vom Mittelpunkt nach außen strebt.
Entstehung und Sterben eines kleinen schwarzen Lochs

Im LHC prallen Protonen bei höchsten Energien aufeinander. Ein Schwarzes Loch im Miniaturformat könnte dabei entstehen, wenn zwei hochenergetische „Bausteine“ des Protons, Gluonen oder Quarks (siehe Artikel „Zutaten für ein Universum“), einander so nahe kommen, dass die Gravitationskraft zwischen ihnen stark genug ist, um sie aneinander zu binden (siehe Abbildung). Die Masse eines solchen Schwarzen Lochs entspräche dann der Gesamtenergie der beiden Protonbausteine.

Was passiert nun mit den am LHC erzeugten mikroskopischen Schwarzen Löchern? Saugen sie, ähnlich wie ihre riesigen Kollegen in den Tiefen des Weltalls, die umliegende Materie an, bis nichts mehr vorhanden ist? Können sie, nachdem sie genügend Materie angesammelt haben, zum Beispiel die komplette Erde absorbieren? Nein. Bereits 1974 hat Stephen Hawking vorhergesagt, dass Schwarze Löcher aufgrund von Quantenfluktuationen (siehe Infokasten und Artikel „Quantenfeldtheorie – Was ist das?“) auch Teilchen abstrahlen können. Dies geschieht, wenn am Rand eines Schwarzen Lochs ein virtuelles Quantenpaar entsteht. Fällt ein virtuelles Teilchen eines solchen Paares in das Schwarze Loch, so kann das andere dem Gravitationsfeld als reales Teilchen entkommen und so einen Teil der Masse des Schwarzen Lochs wegtragen.

Hawking zufolge steigt diese Teilchenabstrahlung, die so genannte Hawking-Strahlung, mit kleiner werdender Masse des Schwarzen Lochs an. Kleine Schwarze Löcher strahlen also besonders intensiv und zerfallen deshalb in kürzester Zeit in eine Vielzahl von Teilchen. So beträgt die Lebensdauer eines Schwarzen Lochs mit einer im Energieberich des LHC-Beschleunigers liegenden Masse von etwa \(\mathrm{10.000 GeV/c^2}\), das entspricht etwa der Masse von 10.000 Protonen, weniger als \(10^{-26}\) Sekunden. Dies ist so kurz, dass dem Schwarzen Loch keine Zeit bleibt, um nennenswert Materie aus der Umgebung aufzusammeln.

Wie können wir ein Schwarzes Loch nachweisen?

Diagramm von zahlreichen Teilchenspuren, die vom Mittelpunkt des Bildes nach außen streben. Sie sind von mehreren Lagen von kreisförmigen Nachweisgeräten umgeben.
Simulation eines mikroskopischen schwarzes Lochs im ATLAS-Detektor

Der Nachweis von mikroskopisch kleinen Schwarzen Löchern am LHC wäre aufgrund ihrer klaren Signatur, das heißt des charakteristischen Musters, das die Spuren der Zerfallsteilchen in den Nachweisgeräten bilden, tatsächlich relativ einfach. So zerfiele ein Schwarzes Loch der Masse \(\mathrm{10.000\,GeV/c^2}\) in etwa 50 Teilchen mit einer Energie von jeweils etwa 150 bis 200 GeV. Dabei würden alle uns bekannten Elementarbausteine gleichermaßen gebildet, das heißt es würde eine Vielzahl von Quarks, sichtbar als „Teilchenjets“, und Leptonen erzeugt (siehe Artikel „Zutaten für ein Universum“), die mit Hilfe der verschiedenen Einzelkomponenten der LHC-Detektoren nachgewiesen werden könnten.

Die Abbildung zeigt die Simulation eines solchen Ereignisses im ATLAS-Detektor am LHC, das sich deutlich durch die große Teilchenanzahl und die extrem hohen, im Kalorimeter abgegebenen Energien auszeichnet. Ein klarer Hinweis darauf, dass es sich hierbei um kleine Schwarze Löcher handelt, wäre ein rapider Anstieg der Produktionsrate solcher Ereignisse mit der im Detektor nachweisbaren Masse der erzeugten Schwarzen Löcher.

Sind kleine Schwarze Löcher gefährlich?

Schwarze Löcher, von Menschenhand gemacht – das mag manchem beunruhigend erscheinen. Können wir wirklich sicher sein, dass die Schwarzen Löcher keine Gefahr für die Erde darstellen? 

Um die diesbezüglichen Risiken hochenergetischer Teilchenkollisionen abzuschätzen, wurden in den vergangenen zehn Jahren mehrere Studien durchgeführt, die letzte im Jahr 2003 mit Blick auf die Fertigstellung des LHC. Alle diese Studien ergeben, dass an Teilchenbeschleunigern erzeugte kleine Schwarze Löcher – falls sie existieren – keine Bedrohung für die Menschheit darstellen. Die beiden überzeugendsten Argumente sind die Existenz der Hawking-Strahlung sowie das natürliche Vorkommen hochenergetischer Proton-Proton-Kollsionen in der kosmischen Strahlung:

  • Die Hawking-Strahlung ergibt sich theoretisch aus sehr grundlegenden physikalischen Annahmen, zu denen unter anderem die Existenz eines Ereignishorizonts gehört, durch den ein Schwarzes Loch definiert ist. Der Ereignishorizont bezeichnet jene Grenze, innerhalb derer das Licht dem Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs nicht mehr entweichen kann. Ohne Hawking-Strahlung würde es also keine Schwarzen Löcher in der allgemein anerkannten klassischen Form geben. Existiert die Hawking-Strahlung aber, so müssen an Beschleunigern erzeugte mikroskopisch kleine Schwarze Löcher, wie oben dargelegt, eben auch direkt wieder zerfallen.
  • Hochenergetische Teilchenkollisionen, wie sie am LHC erzeugt werden, kommen in der Natur seit Jahrmillionen vor, wenn zum Beispiel energiereiche Protonen aus der kosmischen Strahlung auf die Erdatmosphäre treffen. Die täglich auf uns herabregnenden Teilchenschauer sollten, wenn diese tatsächlich existieren, dann auch kleine Schwarze Löcher enthalten, die uns bis heute offensichtlich nicht geschadet haben. 
    Ebenso können zwei Protonen der kosmischen Strahlung im Weltraum aufeinander stoßen. Für ausreichend hohe Energien der Protonen würden dabei dann wie am LHC kleine Schwarze Löcher entstehen. Sollten die so erzeugten Schwarzen Löcher gefährlich sein und Sterne verschlingen, würde man solche Ereignisse in Form einer riesigen Explosion ähnlich einer Supernova beobachten. Da man aber nur sehr wenige Supernovae beobachtet, kann man mit Hilfe unseres Wissens über die Zusammensetzung der kosmische Strahlung abschätzen, dass man am LHC mehr als 10 Milliarden Jahre lang – eine Zeit, die etwa dem Alter unseres Universums entspricht – problemlos Proton-Proton-Reaktionen untersuchen kann, ohne dass ein einziges weltverschlingendes Ereignis auftritt [nach Dar et al.].

Quantenfluktuationen

In der Quantenfeldtheorie erscheint das Vakuum nicht als „leeres Nichts“, sondern als dynamisches Medium, in dem ständig Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und wieder verschwinden. Diese Teilchen „borgen“ sich gemäß der Heisenberg'schen Unschärferelation die Energie zu ihrer Entstehung aus dem Vakuum und vernichten sich gegenseitig in Sekundenbruchteilen wieder, womit sie dem Vakuum die „geborgte“ Energie wieder zurückgeben. Weil diese Teilchen nicht permanent existieren, nennt man sie virtuelle Teilchen, Vakuumfluktuation oder Quantenfluktuation.

Weiterführende Literatur

B.J. Carr und S.B. Giddings, Schwarze Löcher im Labor, Spektrum der Wissenschaft, September 2005;
www.spektrum.de/artikel/837198

A. Müller, Schwarze Löcher in Teilchenbeschleunigern, www.mpe.mpg.de/~amueller/astro_sl_teil.html, speziell: www.mpe.mpg.de/~amueller/astro_sl_teil.html

U. von Rauchhaupt, In anderen Dimensionen, FAZ, 16. Mai 2006

S. Dimopoulos and G. Landsberg, Black holes at the Large Hadron Collider, Physical Review Letters 87 (2001) 161602;
arxiv.org/abs/hep-ph/0106295

A. Barrau and J. Grain, The Case for Mini Black Holes, Cern Courier, 2004;
cerncourier.com/main/article/44/9/22

S. Giddings and S. Thomas, High Energy Colliders as Black Hole Factories: The End of Short-Distance Physics, Physical Review D 65 (2002) 056010;
arxiv.org/abs/hep-ph/0106219

W. Busza, R.L. Jaffe, J. Sandweiss and F. Wilczek, Review of Speculative "Disaster Scenarios" at RHIC, Review of Modern Physics 72 (2000) 1125;
arxiv.org/abs/hep-ph/9910333

J.-P. Blaizot, J. Iliopoulos, J. Madsen, G.G. Ross, P. Sonderegger and H.-J. Specht, Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC: Report of the LHC Safety Study Group, CERN, 2003;
documents.cern.ch/cgi-bin/setlink

A. Dar, A. De Rujula and U. Heinz, Will Relativistic Heavy-Ion Colliders Destroy Our Planet?, Phys. Lett. B470 (1999) 142;
arxiv.org/abs/hep-ph/9910471