Hinweis (Nachtrag): Dieser Artikel erschien am 1. April 2012. Ja, es ist ein Aprilscherz. Nein, niemand muss Angst vor einem Schwarzen Loch am CERN haben, auch Physiker wollen nicht, dass die Welt untergeht. Lest ihn und amüsiert euch.
Am Teilchenbeschleuniger LHC am CERN ist eine physikalische Sensation gelungen, mit der niemand gerechnet hat: Es wurde ein stabiles, mikroskopisches Schwarzes Loch erzeugt. Dies gab CERN-Direktor Rolf-Dieter Sold gestern abend in einer Eilmeldung bekannt.
Den ersten Hinweis auf das stabile Schwarze Loch fanden Physiker, als die Strahlintensität des Protonenstrahls vor 10 Tagen, am 21.März gegen 12:50, plötzlich und unerwartet drastisch abfiel, wie dieses Bild zeigt:
Es war sofort klar, dass hier etwas nicht stimmte. Vorsichtshalber wurde der Strahl deshalb zunächst gestoppt (das ist der zweite Abfall auf dem Bild, um etwa 13:00Uhr), aber glücklicherweise war man geistesgegenwärtig genug, die Magnetfelder des LHC nicht sofort auszuschalten. Bisher nicht veröffentlichte Notfallpläne des CERN sehen nämlich selbst diesen Fall vor:
The creation of a stable and stationary black hole in the LHC is extremely improbable. Nevertheless, if a sudden loss of beam intensity without apparent cause occurs, it is conceivable that a black hole has formed that has absorbed large parts of the proton beam. The resulting electric charge of the black hole allows to control it by the dipole magnets, that must not be shut down in this case.
Die Erzeugung eines stabilen und stationären Wurmlochs Schwarzen Lochs am LHC ist höchst unwahrscheinlich. Falls dennoch ein plötzlicher Verlust an Strahlungsintensität ohne ersichtlichen Grund auftritt, ist es denkbar, dass ein schwarzes Loch entstanden ist, dass große Teile des Protonenstrahls absorbiert hat. Die resultierende elektrische Ladung des Schwarzen Lochs erlaubt es, es durch die Dipolmagnete zu kontrollieren, die deshalb nicht heruntergefahren werden dürfen.
Ein Schwarzes Loch ist zwar schwarz, kann aber trotzdem eine elektrische Ladung tragen und verhält sich deshalb auch wie ein geladenes Teilchen. Es kann deshalb durch Magnetfelder abgelenkt werden. Das schwarze Loch am CERN befindet sich nach wie vor innerhalb des Speicherrings und wird dort mit etwa 99% der Lichtgeschwindigkeit stabil innerhalb des Vakuumrings gehalten.
Dass es sich tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt, zeigt die vom umlaufenden Schwarzen Loch abgegebene Synchrotronstrahlung – da das elektrisch geladene Loch auf seiner Kreisbahn ständig beschleunigt werden muss, kann seine Position über die elektromagnetische Strahlung bestimmt werden, die jede beschleunigt Ladung abgibt. Eine detaillierte Analyse der Messergebnisse des Atlas-Detektors erlaubt, folgendes Bild des Schwarzen Lochs zu rekonstruieren:
Aber müsste ein solches schwarzes Loch nicht sofort zerfallen?
Normalerweise ja. Bisher ging man davon aus, dass winzige Schwarze Löcher, wie sie theoretisch am LHC durch die Kollision von Elementarteilchen entstehen können, instabil sind und sich wegen des Phänomens der Hawking-Strahlung in kürzester Zeit selbst zerstrahlen müssten. Bei der Hawking-Strahlung bilden sich direkt am Ereignishorizont des Schwarzen Loches Teilchen-Antiteilchen-Paare, von denen eins in das Schwarze Loch fällt, während das andere entkommt. Dabei wird dem Schwarzen Loch Energie entzogen. Schwarze Löcher zerfallen um so schneller, je kleiner sie sind. Man dachte deshalb, dass die Schwarzen Löcher, die theoretisch am CERN erzeugt werden könnten, auf jeden Fall sofort wieder zerfallen müssten.
R.P. Grobman, Leiter der Theorieabteilung des LHC, hat mit seiner Arbeitsgruppe eine mögliche Antwort gefunden, warum das Schwarze Loch stabil bleiben kann.
Kurz vor dem plötzlichen Strahlverlust wurden im CMS-Detektor mehrere Ereignisse gemessen, die sich später als mögliche Kandidaten für ein Higgs-Teilchen rekonstruieren ließen:
Als die Strahlenergie langsam weiter erhöht wurde, erreichte man vermutlich einen Punkt, in dem die Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung von Higgs-Teilchen so groß wurde, dass ein äußerst seltenes Ereignis stattfand: Die gleichzeitige Erzeugung von zwei Higgs-Teilchen in unmittelbarer Nähe. Nun sind Higgs-Teilchen ja genau die Teilchen, die den anderen Elementarteilchen ihre Masse verleihen. Wenn sich nun zwei Higgsteilchen sehr nahe kommen, dann erhöht jedes von ihnen die Masse des anderen Higgsteilchens. Diese Möglichkeit hatte man vorher nicht bedacht. Hier eine grafische Darstellung des Prozesses, der den Massezuwachs erzeugt:
Zwei Higgsteilchen kommen im Bild von unten und reagieren miteinander, wobei immer mehr virtuelle Higgs-Teilchen entstehen. Die Teilchen können sich also gegenseitig in einer Art Rückkopplungsschleife eine immer weiter erhöhte Masse verleihen. Es bildet sich eine sogenannte Hoover-Sphäre (nach dem Physiker Freeman J. Hoover benannt). Diese kann hinreichend lange stabil bleiben, um einen Teil des Protonenstrahls des LHC zu verschlucken und so weiter an Masse zuzunehmen.1 Auf diese Weise entstand das Schwarze Loch, das im Moment eine Masse von etwa 10-16kg hat.
1Hinweis für die Expertinnen: Die Zeitachse läuft in diesem Bild nicht direkt von unten nach oben sondern von unten ausgehend gekrümmt in die Mitte, weil für die Darstellung die Spine-Birotulip-Tirer-Weißschwert-Metrik verwendet wurde:
Eigentlich müsste es bei dieser Masse wegen der Hawking-Strahlung in kürzester Zeit zerstrahlen. Doch da das Schwarze Loch aus Higgs-Teilchen entstanden ist, bilden sich in seiner Umgebung auch bevorzugt Teilchenpaare aus Higgs-Teilchen (Higgs-Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen), die die Abstrahlungsrate deutlich verringern, indem sie die Photonen wieder an das Schwarze Loch binden. Diese Grafik veranschaulicht, wie die “Schale” aus virtuellen Higgs-Teilchen (in grün) die Photonen (in gelb) am Entkommen aus dem Schwarzen Loch hindert:
Zur Zeit ist noch nicht abzusehen, was mit dem Schwarzen Loch weiter geschieht. Das Schwarze Loch wird auf seiner Bahn stabil gehalten, damit es nicht aus dem Beschleuniger entkommen und möglicherweise Erdbeben auslösen kann – immerhin würde es ja genau tangential zur Erdoberfläche weiterfliegen und könnte gravitative Verschiebungen in den Alpen hervorrufen.
Man rechnet damit, dass es auch mit verringerter Abstrahlungsrate in einigen Wochen oder spätestenes Monaten zerstrahlen wird. Darauf deutet hin, dass die Dipolmagneten kontinuierlich nachjustiert werden müssen, um das Schwarze Loch in seiner Bahn zu halten – das ist ein Indiz dafür, dass die Masse des Lochs langsam abnimmt. Wie lange das genau dauern wird, darüber sind sich die theoretischen Modelle noch uneins – berechnet man die Zerfallsrate unter Berücksichtigung der zusätzlichen Stabilisierung mit dem Standardmodell, ergibt sich eine Lebensdauer von etwa 71,342 Tagen. Abschätzungen, die auf der nicht-kommutativen supersymmetrischen M-Brane-Superstring-Schleifen-Kosmologie beruhen, kommen – je nach genauen Modellannahmen – zu Lebensdauern zwischen 0.00003 Nanosekunden (was experimentell wohl als ausgeschlossen angesehen werden kann) und 10127.4 Jahren.
Bis genauere Ergebnisse vorliegen, kann man nur hoffen, dass das Schwarze Loch auf seiner Bahn im Beschleuniger gehalten werden kann. Das CERN bereitet zur Zeit die Installation eines weiteren Ablenkmagneten vor, mit dem es notfalls senkrecht aus dem Beschleuniger abgelenkt werden kann, so dass es die Erde auf einer sicheren Bahn verlässt.
Weitere Einzelheiten wird das CERN heute abend auf einer Pressekonferenz bekannt geben.
Bevor Ihr jetzt in Panik verfallt oder euch über die bösen Physiker und ihre unverantwortlichen Experimente aufregt, lest ein bisschen in den Kommentaren oder schaut auf das Datum, an dem dieser Text veröffentlicht wurde…
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