CERN und Schwarze Löcher

Der CERN-Physiker Dr. Matthias Schott im
Gespräch mit drillingsraum.de
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"Auch die Größe der Dimensionen ist wichtig"

Dr. Matthias Schott studierte an der Cambridge University und in Erlangen Physik. Seine Doktorarbeit zum Thema "Vector-Boson Production at the ATLAS Experiment at  LHC" legte er an der Ludwig-Maximillians-Universität in München ab. Heute arbeitet er am ATLAS-Experiment, einem der großen Detektoren des CERN.

Im Interview äußert er sich zu dem Thema "CERN und Schwarze Löcher". Er erklärt welche Bedingungen für das Entstehen eines solchen Schwarzen Lochs erfüllt sein müssen und beschreibt, wie es danach weitergeht.

Ein Drillingsraum-Interview, 16. Juli 2008
Von Marc Gänsler

Drillingsraum: Wie gehen eigentlich die CERN-Physiker untereinander mit dem Thema „Das CERN und mögliche Gefahren für die Erde“ um? Gibt es manche, die sich auch Gedanken darüber machen oder werden die Sorgen der Öffentlichkeit eher belächelt?

Dr. Matthias Schott: Natürlich macht man sich Gedanken und spricht darüber, allerdings hauptsächlich über die Darstellung der Medien. Journalisten neigen bei Themen die sie nicht ganz verstehen dazu, immer zwei Seiten darstellen zu wollen. Wenn es aber nun keine wirklich zweite Seite gibt, dann kommen eben auch Menschen zu Wort, deren Spezialgebiet nicht unbedingt Teilchenphysik ist.

Drillingsraum: Wann werden die Experimente starten, die von CERN-Kritikern als potentiell gefährlich eingestuft werden, und wielange werden sie andauern?

Dr. Matthias Schott: Die Experimente beginnen noch in diesem Jahr (2008) und laufen wohl so um die 10 bis 20 Jahre. Mit kleineren Unterbrechungen.

Drillingsraum: Kann man die Experimente am LHC auch durchführen, ohne dass dabei Schwarze Löcher entstehen, oder sind diese ein unvermeidbares Nebenprodukt?

Dr. Matthias Schott: Wenn die Theorie der extra Dimensionen stimmen sollte und diese zusätzlichen Dimensionen die richtigen Eigenschaften haben, werden wir auch unvermeidbar solche Schwarzen Mini-Löcher erzeugen. Die Frage ist aber natürlich, ob diese Theorie überhaupt stimmt. Die mögliche Existenz von Mini Black Holes basiert auf der Annahme, dass es mehr als 3 Raumdimensionen gibt. Diese Annahme kommt aus der String-Theorie, die nur in mehrdimensionalen Räumen konsistent formuliert werden kann. Nun, all das ist Spekulation. Keiner weiß, ob diese Theorie richtig ist. Wenn die Theorie nicht richtig ist, gibt es auch keine kleinen Schwarzen Löcher.

Drillingsraum: Was unterscheidet die kosmischen Schwarzen Löcher von denen, die eventuell am CERN entstehen könnten?

Dr. Matthias Schott: Ein schwarzes Loch ist zunächst einmal nichts anderes als ein Raumgebiet, in dem die Gravitation so stark ist, dass kein Licht mehr aus diesem Raumgebiet heraus kommt. Da die Gravitation mit großem Abstand die schwächste der uns bekannten Kräfte ist, braucht man eben ungeheuer viel Masse, damit so etwas überhaupt entstehen kann. Hier eine Vorstellungshilfe: Wenn unsere Sonne einmal aufhört zu brennen, dann wird sie kollabieren. Allerdings ist ihre Masse nicht einmal annähernd groß genug um ein Schwarzes Loch zu erzeugen.

Man sieht also schon, dass bei den LHC Experimenten kein kosmisches schwarzes Loch entstehen kann. Unsere Teilchenkollisionen haben ja weniger Energie als eine Stubenfliege in Bewegung. In der Physik fragt man sich aber, warum die Gravitation die schwächste aller Kräfte ist, und warum sie so viel schwächer als die anderen drei fundamentalen Kräfte ist. Eine mögliche Erklärung wäre, dass die Gravitation eine Kraft ist, die mehr als unsere 3 Raumdimensionen „sehen“ kann, wenn es zusätzliche Raumdimensionen geben würde. Diese wären dann „aufgerollt“ und würden erst bei sehr kleinen Abständen „sichtbar“ werden. Nun, dies muss man jetzt nicht verstehen, aber eine Konsequenz daraus wäre, dass es dann auch bei sehr kleinen Abständen (was in der

Physik gleichbedeutend mit sehr hohen Kollisionsenergien ist) sogenannte Mini Black Holes, also kleine Schwarze Löcher geben könnte. Diese unterscheiden sich dann durch ihre Masse und Größe von den kosmischen Schwarzen Löchern. Zudem müssten diese Schwarzen Mini-Löcher eben in mehr als drei Raumdimensionen existieren.
 
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Drillingsraum: Schwarze Löcher am CERN können also nur entstehen, wenn unser Universum mehr als 3 räumliche Dimensionen hat. Gab es in der Vergangenheit Experimente, deren Ergebnisse auf weitere Raumdimensionen hindeuteten?

Dr. Matthias Schott: Es gibt bisher kein Experiment, das solche zusätzlichen Raumdimensionen gesehen hat oder sogar nur nahe legt. Wie gesagt, es ist nur eine Theorie. Um das ein bisschen besser zu verstehen versuche ich ein Beispiel zu geben: Ich könnte auch eine Theorie – also eine Behauptung – aufstellen, dass bei den zukünftigen CERN-Experimenten der Osterhase entsteht. Auch dies ist eine Theorie, die bisher nicht widerlegt ist. Wie groß ist also nun die Wahrscheinlichkeit, dass meine Osterhasen Behauptung falsch ist? Darauf gibt es einfach keine Antwort. Wahrscheinlichkeiten beruhen ja immer auf dem Ausgang eines Versuchs,den ich beliebig oft wiederholen kann. Nun leben wir aber in einem Universum, in dem eine

physikalische Theorie eben richtig oder falsch ist. In anderen Universen können wir nicht nachsehen, also gibt es einfach keine Wahrscheinlichkeit für die Richtigkeit einer Theorie. Der Unterschied zwischen meiner Osterhasen-Theorie und den mehrdimensionalen Räumen ist aber, dass man mit letzterer Theorie einige Probleme innerhalb der Physik lösen könnte. Aber auch dies erhöht deswegen nicht die Wahrscheinlichkeit, dass die Theorie richtig ist.
 
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Grafik: Eine große Frage der heutigen Physik ist es, ob unser Universum mehr als 3 räumliche Dimensionen haben könnte. Wäre es z.B. in eine gewölbte 4. Dimension eingebettet, könnte man das mit einem kosmischen Dreieck nachweisen: Die Winkelsumme des Dreiecks in diesem gekrümmten Raum wäre dann größer oder kleiner als 180°, je nach Krümmung. Allerdings sind für Schwarze Mini-Löcher "aufgerollte" Dimensionen erforderlich, also Dimensionen, die sich nur auf mikroskopischen Ebenen zeigen.
 
Grafik: Laut der Theorie der Hawkingstrahlung hat ein Schwarzes Mini-Loch nur eine extrem kurze Lebensdauer. Kurz nach der Entstehung zerfällt es in andere kleine Teilchen. Diesen Zerfall können die CERN-Detektoren beobachten. In der Grafik sieht man, wie der ATLAS-Detektor diesen Prozess wahrnehmen würde: In der Mitte entstand das Schwarze Mini-Loch, die geraden Linien nach außen sind die "Bremsspuren" der Teilchen, in die das Schwarze Mini-Loch zerfallen ist.

Drillingsraum: Kann man mit den LHC Experimenten dann abschätzen, wieviele Dimensionen der Raum mindestens haben muss? Das wäre ja auch für die Stringtheorie ganz interessant...

Dr. Matthias Schott: Schwarze Mini-Löcher brauchen nicht nur viele Dimensionen, sondern auch die Größe dieser Dimensionen ist wichtig. Wenn es also Schwarze Mini-Löcher gibt, kann man die Größe dieser zusätzlichen Dimensionen abschätzen. Nur in einem recht kleinen Bereich der möglichen Dimensionen können an den CERN-Experimenten überhaupt Schwarze Löcher entstehen. Auch hier vielleicht nochmal eine Randbemerkung: Bei den allermeisten Theorien ist die Größe der Dimensionen unpassend, so dass man keine Schwarzen Löcher am CERN sehen kann. Aber Theoretiker veröffentlichen natürlich vorzugsweise solche Theorien, die man demnächst auch nachweisen kann. Damit werden ihre Publikationen natürlich öfter von uns Experimentalphysikern zitiert, was wiederum positiv für die Theoretiker ist. Alle Theorien, die vielleicht richtig sind, aber die wir nicht nachweisen können, sind somit zwangsläufig stark unterrepräsentiert.

 
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