Micro Black Hole

Mitte der 1970er Jahre stellte Roger Penrose die Vermutung auf, Schwarze Löcher könnten auch im Labor erzeugt werden. Es gibt Theorien, nach denen es möglich ist, mit dem Large Hadron Collider (LHC), der voraussichtlich Mitte Juni 2008 am Cern bei Genf in Betrieb geht, solche Schwarzen Löcher möglicherweise bis zu einmal pro Sekunde erzeugen zu können. Dies setzt jedoch die Existenz von zusätzlichen kompakten Raumdimensionen voraus, welche unter anderem von bestimmten Modellen der Stringtheorie vorhergesagt werden.

Diese Schwarzen Löcher wären allerdings deutlich kleiner als stellare Schwarze Löcher, die kosmologisch beobachtet werden. Ihre Ausmaße lägen in der Größenordnung von Elementarteilchen. Auf Grund von Quanteneffekten (siehe Hawking-Strahlung) würden sie sehr kurze Zeit nach ihrer Entstehung aller Wahrscheinlichkeit nach zerstrahlen. Die dabei entstehenden Elementarteilchen könnten mittels Teilchendetektoren nachgewiesen werden. Gemäß dem aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet wären die entstehenden Teilchenschauer (Jets) isotroper verteilt als diejenigen, die beim Zusammenstoß hochenergetischer Teilchen entstehen und daher von diesen zu unterscheiden.

Existenz

Nach der Theorie Schwarzer Löcher sind Schwarzschild-Radius und Masse eines Schwarzen Lochs proportional zueinander. Da man davon ausgeht, dass unterhalb der Planck-Länge Quanteneffekte dominant werden und keine stabilen Schwarzen Löcher mehr existieren können, gibt es damit auch eine untere Grenze für die Masse eines Schwarzen Loches, welche 10¹⁶TeV (10^-8kg) beträgt.

Dies lässt die Erzeugung Schwarzer Löcher im Labor erst einmal unmöglich erscheinen, da die maximal erreichbare Energie in dem größten Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation (dem LHC) nur einige TeV, also 16 Größenordnungen zu wenig beträgt. Dieses Bild verändert sich allerdings, wenn man von einer Erweiterung der Theorie ausgeht und so genannte large extra dimensions (große zusätzliche Dimensionen) annimmt. Darunter versteht man zusätzliche Raumdimensionen, wobei das "groß" hier in Relation zu anderen Theorien zu verstehen ist. Diese Dimensionen werden als kompakt und von einer Größe deutlich unter einem Millimeter angenommen (größere Dimensionen sind bereits durch Beobachtungen ausgeschlossen). Solche Zusatzdimensionen ergeben sich natürlicherweise in sehr vielen Modellen der Stringtheorie.

Unter dieser Voraussetzung verändert sich das Gravitationsgesetz, sobald man Energien erreicht, welche dem Radius dieser Extradimensionen entsprechen. Dies verändert auch die Massenskala, oberhalb derer die Existenz Schwarzer Löcher möglich ist.

$m_{p}^{2}=m_{f}^{d+2}R^{d}$,

wobei $m_{p}$ die Planck-Masse ist, $d$ die Anzahl der zusätzlichen Dimensionen, $m_{f}$ die neue fundamentale Massenskala und $R$ der Radius der Extradimensionen.

Nimmt man nun zum Beispiel an, dass drei Zusatzdimensionen mit einem Radius von ca. 1eV^-1 existieren, ergibt sich eine Masse von ca. 1TeV für die effektive Planckmasse und damit die Möglichkeit, schwarze Löcher im Labor herzustellen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass schwarze Löcher bei der Kollision kosmischer Strahlung mit Bestandteilen der Erdatmosphäre entstehen. Dies konnte bislang nicht nachgewiesen werden, Fortschritte lassen sich zukünftig vielleicht durch das 2004 in Betrieb gegangene Auger-Observatorium erzielen.

Lebenszeit

Die Lebenszeit solcher kleinen schwarzen Löcher wäre vermutlich äußerst kurz, da sie, wie alle Schwarzen Löcher, durch Hawking-Strahlung an Masse verlieren und schließlich "verdampfen" sollten. Da die Lebenszeit proportional zur dritten Potenz der Masse ist, ergibt sich bei kleinen schwarzen Löchern eine nicht beobachtbar kurze Lebenszeit. Nachweisbar wären sie potenziell durch die bei ihrem Zerfall entstehenden Elementarteilchen. Allerdings ist nicht eindeutig geklärt, ob der Hawking-Effekt ohne Modifikation auch in diesem Fall anwendbar ist, da seine Herleitung auf einer vernachlässigbaren Krümmung des Ereignishorizontes beruht, d. h. auf „hinreichend“ großer Masse.

Man geht davon aus, dass der Zerfall in mehreren Phasen stattfindet. Wie dies genau vor sich geht und ob es ein „Relikt“ gibt oder der Zerfall vollständig stattfindet, ist Gegenstand aktueller Forschung und nicht abschließend geklärt.

Literatur

Populärwissenschaftlich

• Bernard J. Carr, Steven B. Giddings: Schwarze Löcher im Labor, Spektrum der Wissenschaft, September 2005 S.32 (der Artikel ist nicht mehr kostenlos im Web verfügbar).

Reviews

• Steven B. Giddings: Black Holes at Accelerators, hep-th/0205027.
• Panagiota Kanti: Black Holes in Theories with Large Extra Dimensions: A Review, Int.J.Mod.Phys.A19:4899-4951,2004, hep-ph/0402168.
• Sabine Hossenfelder: What Black Holes Can Teach Us, hep-ph/0412265.

Originalliteratur

(Auswahl, weitere siehe im Literaturteil der Reviews)

Zur Hawkingstrahlung

• Stephen Hawking: Particle Creation By Black Holes, Commun.Math.Phys. 43 (1975) 199.
• Stephen Hawking: Breakdown Of Predictability In Gravitational Collapse, Phys.Rev. D14 (1976) 2460.

Zur möglichen Produktion in Beschleunigern

• Ignatios Antoniadis, Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos, G.R. Dvali: New dimensions at a millimeter to a Fermi and superstrings at a TeV, Phys.Lett.B436:257-263,1998, hep-ph/9804398.
• Roberto Casadio, Benjamin Harms: Black Hole Evaporation And Large Extra Dimensions, Phys.Lett.B487:209-214,2000, hep-ph/0004004.
• Savas Dimopoulos, Greg Landsberg: Black Holes at the LHC, Phys.Rev.Lett.87:161602,2001, hep-ph/0106295.

Zur möglichen Produktion durch kosmische Strahlung

• Jonathan L. Feng, Alfred D. Shapere: Black Hole production by Cosmic Rays, Phys.Rev.Lett.88:021303,2002 hep-ph/0109106