Håper på sorte hull

Fysikere vil sitre av spenning når verdens kraftigste partikkelakselerator snart fyres opp. Protoner skal smelle mot hverandre med tilnærmet lysets hastighet. Slike høyenergiske kollisjoner kan det bli sorte hull av.

Publisert

Cern

Cern (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire på fransk) er den europeiske organisasjonen for kjernefysisk forskning.

Dette er verdens største senter for partikkelfysikk, eller forskning på verdens minste byggesteiner.

Cern har flere akseleratorer - lange tunnelringer hvor forskerne kan akselerere bunter av partikler til tett oppunder lysets hastighet.

Den største av disse akseleratorene er Large Hadron Collider (LHC) som skal stå ferdig i 2008. Den ligger 100 meter under bakken og er hele 27 kilometer lang.

I LHC skal forskerne krasje partikkelbuntene inn i hverandre, i fire detektorer som er montert på ulike steder i ringen. Meningen er at partiklene skal gå i stykker.

Ut ifra slike krasj kan forskerne finne ut mye om hva partiklene er lagd av og hvordan de virker.

Anlegget ligger i nærheten av Geneve, på grensa mellom Sveits og Frankrike.

Cern ble etablert i 1954, og drives i dag av 20 medlemsland. Norge har vært med fra starten. Vi betaler årlig en medlemskontingent på hundre millioner kroner, eller to prosent av Cerns budsjett.

Kollisjonsenergien i LHC

Den totale energien i hver protonstråle i LHC tilsvarer et hurtigtog på 400 tonn som suser av gårde i 150 kilometer i timen.

Bare en veldig liten del av denne energien frigis hver gang to partikler i strålen kolliderer - noe tilsvarende et titalls mygg som flyr i luften.

Du frigir faktisk mye mer energi hver gang du smeller håndflatene sammen for å drepe én av de små blodsugerne.

Poenget er at energien er konsentrert på et ekstremt lite område, på subatomær skala - rundt en million million ganger mindre enn en mygg.

Et tankeksperiment: Hva om du fikk en syltynn nål festet til den ene håndflaten før du klasket i hjel myggen? Sannsynligvis ville du redusere kraften i klasket betraktelig, og myggen ville slippe fri.

Så mye energi på så små partikler skaper kollisjoner hvor partiklene blir presset ekstremt tett sammen.

Partiklene kommer opp i en fart som er 0,999999991 ganger lysets hastighet, men fysikerne er egentlig ikke mest opptatt av farten.

Mens ingenting kan reise raskere enn lyset, finnes det nemlig ingen grense for hvor mye energi en partikkel kan få.

I det en partikkel nærmer seg lyshastigheten skal det stadig mer energi til for å øke hastigheten. Partikkelfysikere tenker derfor mer på partikkelens energi.

Hver protonstråle som fyker rundt LHC vil ha en energi på 7 TeV (teraelektronvolt), så når to protoner smeller sammen vil kollisjonsenergien være på 14 TeV.

I dagligdagse termer er ikke dette spesielt mye. Én TeV tilsvarer omtrent bevegelsesenergien til én flyvende mygg.

Partiklene som utgjør kosmisk stråling kan for eksempel ha en energi på flere millioner TeV, og det er gjort noen observasjoner som tyder på kosmisk stråling med energi på flere hundre millioner TeV.

I teorien er det nemlig enkelt å lage et sort hull. Alt du trenger å gjøre er å presse en hvilken som helst mengde masse tett nok sammen.

For å si det på en annen måte må du konsentrere nok energi i et lite nok område.

"Her ser du detektoren ATLAS, som er plassert på den 27 kilometer lange akseleratoren Large Hadron Collider (LHC) ved Cern i Frankrike/Sveits. I denne detektoren håper fysikerne å kunne se sorte hull. Legg merke til mannen som står nederst i midten."
"Her ser du detektoren ATLAS, som er plassert på den 27 kilometer lange akseleratoren Large Hadron Collider (LHC) ved Cern i Frankrike/Sveits. I denne detektoren håper fysikerne å kunne se sorte hull. Legg merke til mannen som står nederst i midten."

Ifølge den generelle relativitetsteorien vil nok massetetthet føre til at gravitasjonskreftene vinner over de andre kreftene, og et sort hull vil oppstå.

I praksis er dette vanskelig å få til.

Forbeholdt at noen ganske underlige fysikkteorier stemmer med virkeligheten, kan det imidlertid hende at slike små sorte hull oppstår 100 meter under bakken i Frankrike og Sveits til neste år.

11 000 runder i sekundet

En eller annen gang i 2008 kommer noen nemlig til å trykke på knappen som sender den første protonstrålen gjennom akseleratoren Large Hadron Collider (LHC). Hadroner er navnet på en klasse partikler.

Denne 27 kilometer lange sirkelformede akseleratoren ligger altså 100 meter under bakken ved partikkelfysikklaboratoriet Cern, på grensa mellom Sveits og Frankrike.

Her kommer protonene til å få en så høy energi at de hvert eneste sekund vil ta over 11 000 runder i den 27 kilometer lange tunnelen.

Når disse partiklene krasjer kan det, blant mye annet, oppstå ørsmå sorte hull, fordi store mengder energi konsentreres i ett forferdelig lite punkt.

Ukjent indre

Den generelle relativitetsteorien beskriver et sort hull som et område med tomt rom med en punktlignende singularitet i midten (masse komprimert til null volum), og en hendelseshorisont i ytterkantene.

Beskrivelsen endrer seg når fysikerne bruker kvantemekanikk. Mens relativitetsteorien antyder at informasjon om massen som faller inn i et sort hull er tapt for alltid, viser kvantemekanikken at informasjonen til slutt vil komme ut igjen.

"Utsikt til senteret i vår egen galakse Melkeveien. Det sorte hullet lurer usynlig i midten. Bildet er tatt med romteleskopet Chandra, som gjør røngtenobservasjoner."
"Utsikt til senteret i vår egen galakse Melkeveien. Det sorte hullet lurer usynlig i midten. Bildet er tatt med romteleskopet Chandra, som gjør røngtenobservasjoner."

Den kjente fysikeren Stephen Hawking tapte faktisk et veddemål om saken sommeren 2004, da han endelig ombestemte seg og gikk med på at informasjon faktisk kan unnslippe fra et sort hull.

Mange av disse nye ideene har sin opprinnelse i strengteorien, som så langt er det beste forsøket på å forene den generelle relativitetsteorien og kvantemekanikken.

Med strengteori kan sorte hull dessuten bli frynsete i kantene og uten noen singularitet i midten. Det kan få hvem som helst til å klø seg i håret.

Det holder kanskje å si at den endelige og korrekte beskrivelsen av sorte hull er ukjent.

Viser de seg imidlertid i en partikkelakselerator, kan de bidra til å løse noen av de uavklarte spørsmålene innen fysikken (og det er ikke få).

Ekstra dimensjoner

Ifølge de mest etablerte teoriene om partikler og kreftene som virker mellom dem, kreves det egentlig mye mer energi enn det LHC noen gang kommer til å produsere, for at et sort hull skal oppstå.

Det er snakk om flere titalls millioner ganger mer energi, så sannsynligheten for at det noen sinne blir bygd en så kraftig akselerator er forsvinnende liten.

 

De siste årene har utsiktene imidlertid blitt bedre for de syntetiske sorte hullene, takket være en teori som sier at gravitasjonen er en mye sterkere kraft enn vi tror.

I hverdagen skal det enorme mengder masse til før vi merker gravitasjonskreftene. Vi holdes på plass på Jorden, men vi tiltrekkes ikke av hverandre (joda, men det er noe helt annet).

Dette er en “svakhet” ved gravitasjon som fysikerne ikke skjønner helt.

Én teori går ut på at Universet har ekstra, små dimensjoner dit bare gravitasjonskreftene kan nå. Vi kan si at gravitasjonskraften lekker inn i disse dimensjonene.

Ett sort hull i sekundet?

Dersom dette stemmer, kan gravitasjonen være mye sterkere over avstander som er så små at det ikke er noen sjanse for lekkasje inn i andre dimensjoner.

"Partiklene i LHC skal akselereres i denne tunnellen, som er hele 27 kilometer lang. Langs sirkelen ligger fire store detektorer som skal registrere partikkelkollisjonene."
"Partiklene i LHC skal akselereres i denne tunnellen, som er hele 27 kilometer lang. Langs sirkelen ligger fire store detektorer som skal registrere partikkelkollisjonene."

Henger verden sammen på denne måten, og den fundamentale gravitasjonsskalaen er større enn antatt, skal det ikke så mye energi til for å få et sort hull til å vise seg.

Det er gjort flere forskjellige beregninger av hvor mange sorte hull LHC kan komme til å produsere. Noen av de mer optimistiske utregningene fra 2001 forespeilet rundt ett sort hull i sekundet.

Siden den gang har fysikerne regnet mye mer på saken, og de vet også en hel del mer om hvordan kosmiske stråler oppfører seg. Til sammen har dette ført til en viss nedgang i optimismen når det gjelder sort hull-produksjonen ved LHC.

"Denne illustrasjoner viser en simulering av hvordan en partikkelkollisjon som skaper et sort hull vil registreres i detektoren ATLAS. Kvinnen til høyre illustrerer størrelsen på detektoren."
"Denne illustrasjoner viser en simulering av hvordan en partikkelkollisjon som skaper et sort hull vil registreres i detektoren ATLAS. Kvinnen til høyre illustrerer størrelsen på detektoren."

I tillegg er muligheten som sagt basert på en helt ubekreftet teori om at det finnes flere dimensjoner som er krøllet opp i bestemte skalaer, og ikke alle har like stor tro på disse modellene.

- Skudd i mørket

- Jeg har alltid tenkt på muligheten for å lage sorte hull som et skudd i mørket. De fleste utregningene for sort hull-produksjon ble gjort i 2001 og 2002, da disse ideene først ble presentert, og man så for seg at den “virkelige” gravitasjonsskalaen var akkurat på LHC-nivå, sier Scott A. Hughes.

Han er astrofysiker og professor ved Department of Physics ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), og ekspert på sorte hull - av den store typen.

- En feilberegning med faktor 10 ville bety at det ikke ble noen produksjon av sorte hull. Så det slo meg at beregningene ikke var særlig robuste, på den måten at vi må ha flaks og ha den fundamentale gravitasjonsskalaen veldig tett på LHC-skalaen, sier han.

Vanligvis, når strengteoretikere snakker om flere dimensjoner enn de vi kjenner i dag, mener de dimensjoner som er krøllet opp på ekstremt små skalaer, rundt 10-33 centimeter.

- Sunn skepsis

I 1998 og 1999 ble det imidlertid foreslått at noen av disse dimensjonene var ganske store - kanskje opp til en millimeter i skala. Dersom det er tilfelle, vil gravitasjonskraften være ganske tett på LHC-nivå.

- Men ting har forandret seg siden den gang. Eksperimenter som måler gravitasjonskraften har satt grenser for hvor store de ekstra dimensjonene kan være.

- Eksperimenter har vist at “store” ekstra dimensjoner må være mindre enn noen få titalls mikrometer. Energiskalaen som skal til for å produsere sorte hull går dermed opp med en faktor på rundt 20 eller 30, sier Hughes.

"Dette bildet viser området i Frankrike og Sveits hvor LHC ligger under bakken."
"Dette bildet viser området i Frankrike og Sveits hvor LHC ligger under bakken."

- Jeg tror nok de fleste har en sunn skepsis i forhold til muligheten for å produsere sorte hull i LHC.

- Det er enkelt for teoretikere (som meg selv) å drømme opp sprø scenarier, det er vanskelig for de som kjører eksperimentene å finne en måte å teste dem på, sier han.

Kvantegravitasjon

Det er ikke annet å gjøre enn å vente og se når partikkelakseleratoren skrus på til neste år. Skulle den komme til å produsere sorte hull, vil disse kunne lære fysikerne en hel masse.

Som vi har sett vil det si noe om ekstra dimensjoner. De kan også vise effekter av såkalt kvantegravitasjon. Kvantegravitasjon er et eget felt innen teoretisk fysikk, og inkluderer strengteoriene.

Fysikerne på dette feltet forsøker å forene kvantemekanikken, som beskriver tre av de grunnleggende kreftene i naturen, med den generelle relativitetsteorien som beskriver den fjerde kraften, nemlig gravitasjon.

Det er også mulig å lete etter teoretiske partikler når små sorte hull fordamper, for eksempel det etterlengtede Higgsbosonet.

Dette er en partikkel som fysikerne har i sine teorier for å forklare hvorfor atomer, mennesker og stjerner har masse. Den har aldri blitt observert.

Lenker:

CERN: Are LHC collisions safe?
Fysisk institutt, Universitetet i Oslo; Hands on CERN
Hubblesite: Multimediareportasje om sorte hull
CERN-rapport: Study of potentially dangerous events during heavy-ion collisions at the LHC: report of the LHC safety study group
RHIC-rapport: Review of Speculative “Disaster Scenarios” at RHIC
BBC: Not the end of the world
Nature: End not nigh
ATLAS Exotics Working Group: BlackHoleCSCNoteWikiPage
Cern Courier: The case for mini black holes