LHC Status: Run III



Gefahr durch Schwarze Löcher?
In den Monaten vor dem geplanten Start des LHC im September 2008, wurden in einigen Medien Stimmen laut, die mit dem LHC gravierende Befürchtungen verknüpfen. So wird von manchen prognostiziert, dass während dem Betrieb des LHC, kleine Schwarze Löcher entstehen würden, die in Folge wachsen und schliesslich den gesamten Planeten Erde vernichten könnten.
Solcherlei Diskussionen über mögliche Katastrophenszenarios durch Teilchenbeschleuniger, gab es schon vor einigen Jahren, vor dem Start des Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in New York. Allerdings in eher kleinem Rahmen, welcher von den Medien damals kaum wahrgenommen wurde. Ein vom Brookhaven National Laboratory beauftragtes Komitee untersuchte damals die Befürchtungen und kam zu dem Schluss, dass sie wissenschaftlich nicht haltbar seien. Der RHIC-Beschleuniger wurde daraufhin im Jahr 2000 in Betrieb genommen.

Die Diskussion zu Katastrophenszenarien in Bezug zum LHC, insbesondere der angeblichen Gefahr durch Schwarze Löcher, wurde von einigen Medien dagegen geradezu ausgeschlachtet. Das mediale Interesse liegt dabei aber wohl weniger bei der seriösen Vermittlung physikalischer Zusammenhänge, als vielmehr an den guten Verkaufszahlen von Weltuntergangsszenarien.



Möglichkeiten zur Erzeugung von MBHs
Die Möglichkeit, dass bei den Teilchenkollisionen am LHC mikroskopische Schwarze Löcher, sog. MBHs (micro black holes) entstehen könnten, ist unwahrscheinlich, aber nicht völlig ausgeschlossen.
Dass grosse Schwarze Löcher im Weltall existieren, ist zwar heute relativ gut belegt, aber dennoch können sie nicht direkt nachgewiesen werden. Da dieses Phänomen so gut wie keine Strahlung ausssendet, sind grosse Schwarze Löcher nur indirekt durch ihre gravitative Wirkung auf die, in unmittelbarer Nähe zum Schwarzen Loch gelegenen, beobachtbaren Objekte (z.B. Sterne) nachweisbar. So werden Schwarze Löcher in der Astronomie dadurch identifiziert, dass ein Stern in engem Abstand um ein offenbar sehr schweres Zentrum rotiert, ohne dass dieses Zentrum selbst sichtbar wäre.
Falls Schwarze Löcher im Weltall existieren, bedeutet das aber nicht zwingend, dass auch kleinere Schwarze Löcher erzeugbar sind. Denkbar ist im Prinzip, dass zwei im Beschleuniger aufeinander geschossene Teilchen, aufgrund der hohen Energie, ihre gegenseitige Abstossung überwinden und sich so nahe kommen, dass schliesslich ihre gravitative Anziehung überwiegt und ein mikroskopisches schwarzes Loch entsteht. Die physikalische Standardtheorie sagt jedoch voraus, dass dies erst ab einer Mindestenergie, der sog. Planck-Energie möglich ist. In der konventionellen Theorie liegt diese Mindestenergie bei 1016 TeV. Also rund 1 Billiarde mal höher als der Energiebereich in den der LHC vorstossen kann.

Es könnte aber auch sein, dass diese Energieuntergrenze kleiner ist, als aus der Standardtheorie hervorgeht. Einige Varianten von Stringtheorien sagen, durch die Annahme höher dimensionaler Räume, eine deutlich niedrigere Grenze für die Planck-Energie voraus. Die Vorhersage dieser Grenze läge bereits bei einigen Tera-Elektronenvolt. Sollte dies zutreffen, so könnten am LHC im Sekundentakt MBHs produziert werden.

Andere Physiker hingegen, kritisieren die Stringtheorie dafür, dass sie ein reines formal-mathematisches Gedankengebäude sei, das nicht falsifizierbar sei, bzw. keine experimentell überprüfbaren Vorhersagen mache. Wenn die Theorie höherer Dimensionen des Raumes falsch wäre, dann wäre in der Folge auch die Produktion Schwarzer Löcher im LHC mit grosser Sicherheit auszuschliessen.

Eine künstliche Erzeugung von MBHs mit Beschleunigern hätte wissenschaftlich gesehen den grossen Vorteil, dass damit einerseits Schwarze Löcher definitiv als existent nachgewiesen und ihre Eigenschaften erstmals im Labor untersucht werden könnten. Damit wäre auch die allgemeine Relativitätstheorie ein weiteres Mal experimentell bestätigt. Andererseits könnte gleichzeitig auch die Existenz höherer Raumdimensionen nachgewiesen und so die Stringtheorie vom Vorwurf der Nichtfalsifizierbarkeit befreit werden. Aus diesen Gründen ist es tatsächlich der Wunsch und die Hoffnung vieler Physiker, durch den LHC kleine Schwarze Löcher künstlich erzeugen zu können.

Schwarzschild-Radius
Ein weiteres Argument gegen die Gefahr von MBHs geht aus der Formel für den Schwarzschild-Radius eines Schwarzen Lochs hervor. Dieser Radius gibt die minimale Grösse an, auf die eine Masse komprimiert werden muss, um anschliessend zu einem Schwarzen Loch kollabieren zu können. Für ein bereits existierendes Schwarzes Loch beschreibt der Schwarzschild-Radius gleichzeitig den Ereignis-Horizont. Dies stellt die Grenze dar, bei deren Überschreitung kein Körper und kein Lichtstrahl einem Schwarzen Loch mehr entrinnen kann.

Der Schwarzschild-Radius für ein Schwarzes Loch von der Masse der Erde liegt bei ca. 9 Millimetern. Erst wenn die gesamte Masse der Erde künstlich auf diese Grösse zusammengestaucht würde, könnte sie zu einem Schwarzen Loch werden. Dieses würde dann nur solche Objekte stark anziehen, die ihr sehr nahe kommen. Für weiter entfernte Objekte würde sich praktisch kein Unterschied zum bisherigen Schwerefeld der Erde ergeben. Künstliche Satelliten ebenso wie der Mond würden weiterhin auf ihren bekannten Bahnen um den ursprünglichen Erdmittelpunkt kreisen.
Gemäss der Schwarzschild-Formel ist die Grösse des Schwarzschild-Radius proportional zur Masse des Schwarzen Lochs. Das bedeutet, je grösser die Masse des schwarzen Lochs, desto ausgedehnter ist der Ereignishorizont. Die genaue Rechnung ergibt für eine Masse, die der Teilchenenergie des LHC von 14 Tera-Elektronenvolt entspricht, einen Radius von 3,7 * 10-50 Meter. Diese unmessbar kleine Grösse ist viele Millionen Mal kleiner als beispielsweise der Abstand zweier benachbarter Atomkerne in normaler Materie. Das so gebildete Schwarze Loch wäre damit nicht in der Lage, weitere Materie zu schlucken, weil es zu leicht wäre. Nichts könnte ihm auf natürlichem Wege nahe genug kommen, um in den Bereich seiner starken Anziehung zu gelangen.



Grafische Darstellung einer Schwarzschildlösung


Hawking-Strahlung

Der britische Physiker Stephen Hawking erarbeitete 1974 die Theorie, dass ein Schwarzes Loch in das keine weitere Materie hineingelangt, nicht stabil bleibt, sondern verdampft. Einige Details dieses Prozesses der sog. Hawking-Strahlung, sind noch Gegenstand aktueller Forschung, was auch daran liegt, dass die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie, die in diesem Fall beide eine Rolle spielen, bisher teilweise unvereinbar sind.

Experimentell nachgewiesen ist die Hawking-Strahlung bis heute nicht. Akzeptiert man diese Theorie dennoch als gültig, so besagt ihre Formel, dass die Rest-Lebensdauer eines schrumpfenden Schwarzen Lochs, das keine neue Materie mehr aufsaugen kann, proportional zur dritten Potenz seiner verbleibenden Masse ist. Grosse Schwarze Löcher schrumpfen demnach nur sehr langsam und strahlen sehr wenig Energie ab. Dies wäre ein möglicher Grund weshalb die Hawking-Strahlung im Weltraum schwer nachweisbar ist.
Ist ein Schwarzes Loch jedoch bereits relativ klein, so schrumpft es immer schneller weiter zusammen und löst sich schliesslich in einer Art Feuerwerk von Hawking-Strahlung vollständig auf. Die quantitative Rechnung für den Fall eines Schwarzen Lochs, wie es beim LHC eventuell entstehen könnte, ergibt eine erwartete Lebensdauer in der Grössenordnung von 10-85 Sekunden. Diese Zeitspanne ist erheblich kürzer als eine einzelne Schwingungsperiode einer Atomuhr; sie könnte mit keinem existierenden Messgerät jemals gemessen werden. Ein vermeintlich von dem Schwarzen Loch angezogenes äusseres Objekt könnte sich in dieser Zeit nicht einmal um einen Atomdurchmesser darauf zubewegen, bevor das Schwarze Loch schon wieder verschwunden wäre.

Einige Wissenschaftler bezweilfeln die Existenz von Hawking-Strahlung. Der populärste von ihnen, ist der Tübinger Biochemiker Otto E. Rössler. Die theoretische Herleitung durch Hawking enthält nach Rösslers Darstellung einen Fehler. Dieser könne allein durch Verwendung der ursprünglichen Gleichungen der Einsteinschen allgemeinen Relativitätstheorie korrigiert werden. Seiner Meinung nach, würden die am LHC erzeugten Schwarzen Löcher nicht zerfallen, sondern zunächst langsam, dann immer schneller wachsen und nach wenigen Jahren zur Zerstörung der Erde führen.
Diese Kritik wurde daraufhin vom deutschen Komitee für Elementarteilchenphysik (KET) geprüft. In einer fachlichen Stellungsnahme führt H. Nicolai, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, die Rösslersche Argumentation auf "elementare Missverständnisse" der allgemeinen Relativitätstheorie zurück.

Darüber hinaus weist das KET darauf hin, dass Rösslers Theorie inkonsistent sei: Falls der Zerfall Schwarzer Löcher aus den von Rössler angeführten Gründen unmöglich wäre, dann könnten sie aus den gleichen Gründen am LHC auch gar nicht erst erzeugt werden.



Kosmische Strahlung
Das beste Argument gegen eine mögliche Gefahr von MBHs stellt die kosmische Strahlung dar. Diese Strahlung, die unseren Planeten von der Sonne und anderen kosmischen Objekten erreicht, besteht aus Teilchen mit einer millionenfach höheren Energie, als die im LHC erreichbare Energiegrenze. Und da die Erde auch nach 4.5 Millarden Jahre Dauerbeschuss dieser Teilchen immer noch existiert, kann davon ausgegangen werden, dass MBHs, sofern sie existieren und im LHC produziert werden könnten, keine Gefahr für unsere Welt darstellen.

Eine diesbezügliche Kritik weist darauf hin, dass die Teilchen der kosmischen Strahlung nicht gegen Teilchen gleicher Geschwindigkeit stossen, wie es bei einem Teilchenbeschleuniger der Fall ist. Die MBHs der kosmischen Strahlung hätten dagegen einen Restimpuls, mit dem die kleinen Schwarzen Löcher die Erde in einer kurzen Zeit durchqueren würden und schliesslich ins Weltall entschwinden würden. Bei einer Beschleunigerkollision wäre dieser Impuls dagegen gleich Null und die MBHs würden sich schliesslich im Erdmittelpunkt sammeln und könnten dort mit der Zeit an Masse zunehmen.

Gegen dieses Argument spricht jedoch die Existenz von Neutronensternen. Deren Masse weist eine derart hohe Dichte auf, dass ein aus der kosmischen Strahlung produziertes MBH, von der enormen Gravitationkraft des Neutronensterns eingefangen und in ihm innert kürzester Zeit, zu einem grossen Schwarzen Loch werden und den Neutronenstern vernichten würde. Aus astronomischen Beobachtungen sind aber längst Neutronensterne bekannt, die ein Alter von über 100 Millionen Jahren aufweisen. Eine ausführliche Studie zu diesem Thema findet sich hier.

Weitere theoretische Gefahren?

Neben der Hypothese der schwarzen Löcher, wurden Befürchtungen weiterer möglicher Gefahren durch den LHC laut. So existieren Theorien welche die Entstehung, magnetischer Monopole, Strangelets und Vakuumblasen vorhersagen, aus welchen ebenfalls die Vernichtung der Erde hervorgeht. Diese Theorien sind allerdings noch weit exotischer.