Update: Schwarze Löcher, Sicherheit und das LHC-Upgrade

Update vom 9. November Als Antwort auf einige der folgenden Kommentare möchte ich eine der Bedenken hinsichtlich der von Teilchenphysikern gegebenen Standardzusicherungen bezüglich der Sicherheit des LHC erläutern. Ihr Argument ist, dass die Erde seit Milliarden von Jahren von hochenergetischen kosmischen Strahlen bombardiert wurde. Diese Teilchen wären mit Teilchen in unserer Atmosphäre bei viel höheren Energien kollidiert, als dies am LHC möglich ist. Wenn also eine Katastrophe möglich wäre, wäre sie längst passiert. Das bedeutet, dass die fortgesetzte Existenz der Erde und tatsächlich vieler anderer astronomischer Körper ein starker Beweis dafür ist, dass der LHC sicher ist. Das Problem ist folgendes: Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen den Kollisionen, die in der Atmosphäre auftreten, und denen, die am LHC auftreten. Kosmische Strahlung trifft mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit auf die Atmosphäre. Das bedeutet, dass sich auch die Trümmer dieser Kollisionen mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, wodurch sie nur begrenzte Zeit haben, mit der Erde zu interagieren. Die Kollisionen am LHC sind unterschiedlich. Dabei handelt es sich um zwei Strahlen, die sich beide mit fast Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, aber frontal kollidieren. Die Kollision erfolgt also in Ruhe in Bezug auf die Erde. Das ist ein wesentlicher Punkt. Dies bedeutet, dass die Trümmer der Kollision länger herumhängen können und somit eine größere Chance haben, mit der Erde zu interagieren. Berücksichtigt man diesen Effekt, so ist keineswegs klar, ob ähnliche Ereignisse in unserer Atmosphäre oder sonst wo regelmäßig stattgefunden haben. Das beweist nicht, dass der LHC gefährlich ist, ganz im Gegenteil. Aber es zeigt, dass die Standardsicherheitsgarantie nicht so wasserdicht ist, wie Teilchenphysiker uns glauben machen wollen. Bestehen Zweifel an dieser Zusicherung, müssen diese ausgeräumt werden. Das CERN hat sich weder mit dieser Besorgnis noch mit den anderen seit der Veröffentlichung des ursprünglichen Sicherheitsberichts befasst. Das ist nicht wirklich überraschend: Es hat ein offensichtliches Interesse am LHC. Aber diese Situation kann nicht weitergehen. Aus diesem Grund muss die Sicherheit des LHC von einer unabhängigen Gruppe von Wissenschaftlern mit Erfahrung in der Risikoanalyse, aber ohne berufliche oder finanzielle Verbindungen zum CERN überprüft werden. Das vorgeschlagene Upgrade auf den LHC bietet die perfekte Gelegenheit

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Ursprünglicher Beitrag

Es ist jetzt 10 Jahre her, dass Physiker erstmals die Möglichkeit aufwarfen, dass Teilchenbeschleuniger auf der Erde mikroskopisch kleine Schwarze Löcher erzeugen könnten. Dieses Phänomen schien zunächst äußerst aufregend, da es auf eine Möglichkeit hindeutete, wie Wissenschaftler ihre Ideen zur Quantengravitation testen könnten, der Theorie, die die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie in Einklang bringt. .



Seitdem hat sich viel von der Aufregung gelegt. Es stellt sich heraus, dass die Energie, die zur Erzeugung dieser Objekte erforderlich ist, das, was in den leistungsstärksten Beschleunigern der Welt möglich ist, bei weitem übersteigt und tatsächlich weit mehr ist, als in der stärksten jemals aufgezeichneten kosmischen Strahlung gefunden wurde.

Es gibt jedoch verschiedene Schlupflöcher, die die Bildung von Mikro-Schwarzen Löchern bei niedrigeren Energien ermöglichen. Die am häufigsten diskutierte ist die Möglichkeit, dass das Universum auf mikroskopischer Skala zusätzliche Dimensionen hat, die die Schwerkraft auf dieser Ebene erheblich schwächen. Diese Dimensionen müssten in einem Maßstab von mehr als 10^-19 Metern funktionieren, damit sich mikroskopische Schwarze Löcher leichter bilden können.

Aber auch hier schränken die Beweise diese Idee ein. Der leistungsstärkste Beschleuniger der Welt, der Large Hadron Collider, läuft seit etwa einem Jahr und konnte bisher keine schwarzen Löcher mit Massen von bis zu 4,5 TeV erzeugen. Das bedeutet, dass alle zusätzlichen Abmessungen kleiner als 10^-12 Meter sein müssen.

Trotzdem könnten am LHC noch immer vielleicht 100 Schwarze Löcher pro Jahr produziert werden. Aber wie erkennt man sie?

Marcus Bleicher vom Frankfurt Institute for Advanced Studies in Deutschland und einige Freunde skizzieren heute einige der offenen Probleme bei der Produktion und Detektion von Schwarzen Löchern am LHC, sofern sie überhaupt stattfinden.

Diese Jungs gehen davon aus, dass sie nach der Bildung mikroskopischer Schwarzer Löcher vier Phasen durchlaufen würden. Da ist zunächst die Glatzenbildungsphase, in der sich das neu gebildete Hinterloch von einem stark asymmetrischen Objekt zu einem symmetrischeren entwickelt und seine Asymmetrie durch Gravitationsstrahlung verliert.

In der zweiten Phase, der sogenannten Spin-Down-Phase, verliert das Schwarze Loch durch die Emission von Hawking-Strahlung Masse und Drehimpuls. In der dritten Phase, der Schwarzschild-Phase, wird das Schwarze Loch kugelförmig und der Massenverlust verlangsamt sich. Und in der letzten Planck-Phase erlischt das Schwarze Loch.

Von diesen Phasen wird hauptsächlich wegen der beteiligten Symmetrie nur die Schwarzschild-Phase im Detail verstanden. Die anderen Phasen sind kaum verstanden, insbesondere die Planck-Phase, die nur durch die Quantengravitation beschrieben werden kann, die selbst eine ungeprüfte Idee ist.

Eine Sache, die viele dieser Fragen klären könnte, sind mehr Daten und die Möglichkeit eines späteren Upgrades auf den LHC.

Der 800 Pfund schwere Gorilla in all dem ist die Sicherheit dieser Art von Experimenten. In der Teilchenphysik-Gemeinschaft herrscht die weit verbreitete Überzeugung, dass die Produktion von Schwarzen Löchern ein Verfahren ohne Risiko ist. Tatsächlich dulden Teilchenphysiker keine Diskussion über dieses Thema und Bleicher und Co. erwähnen es nicht.

Dagegen weisen sie darauf hin, dass die beteiligte Physik hochspekulativ sei. Was sie in der Tat interessiert, ist die Möglichkeit, dass diese Prozesse eine neue Physik aufdecken werden, die über unser bestehendes Verständnis des Universums hinausgeht. Das ist schwer mit den kategorischen Zusicherungen zu vereinbaren, die der Öffentlichkeit über die Sicherheit gegeben wurden.

In der Vergangenheit durchgeführte Sicherheitsbewertungen sind wenig zuversichtlich. Bereits Ende der 90er Jahre in einem Leserbrief Wissenschaftlicher Amerikaner warf die Frage auf, ob der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), der damals im Brookhaven National Laboratory gebaut wird, Schwarze Löcher produzieren könnte, die den Planeten zerstören könnten.

Daraufhin gab der Direktor von Brookhaven einen Bericht von vier Physikern über die Sicherheit der Maschine in Auftrag. Dieser Bericht kam zu dem Schluss, dass die Wahrscheinlichkeit einer Katastrophe 2 x 10^-4 beträgt, was als komfortable Fehlerquote bezeichnet wird. Ein anderer Bericht einer Gruppe von CERN-Physikern kam zu dem äußerst konservativen Schluss, dass es sicher ist, RHIC 500 Millionen Jahre lang zu betreiben.

Diese Papiere wurden damals häufig verwendet, um die Öffentlichkeit zu beruhigen, und doch erwiesen sich beide später als schwerwiegende Fehler. Die komfortable Fehlerquote liegt tatsächlich bei einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 5000 – nicht eine, die die meisten Leute für angenehm halten würden. Als darauf hingewiesen wurde, revidierte das Team seine Zahlen, indem es eine weitere Null zu der Zahl hinzufügte, was eine Chance von 1 zu 50.000 bedeutete, und fügte hinzu, dass wir nicht versuchen, zu entscheiden, was eine akzeptable Obergrenze für [die Wahrscheinlichkeit einer Katastrophe] ist.

Auch die CERN-Gruppe hatte ihre Zahlen verstümmelt. Es stellte sich heraus, dass ihre Berechnungen lediglich darauf hindeuteten, dass die Wahrscheinlichkeit einer sehr frühen Zerstörung der Erde bei einem Lauf am RHIC gering war. Tatsächlich stimmten ihre Berechnungen auf lange Sicht mit einer hohen Wahrscheinlichkeit einer planetarischen Zerstörung überein.

Keiner dieser Fehler wurde allgemein gemeldet.

Kurz vor dem Einschalten des LHC hat das CERN einen eigenen Bericht über die Sicherheit des heute leistungsstärksten Beschleunigers der Welt in Auftrag gegeben. Dieser Bericht kam zu dem Schluss, dass die Maschine sicher war.

Eine wichtige Frage ist, welches Vertrauen die Öffentlichkeit in diesen Bericht setzen sollte. Es gibt verschiedene Gründe zur Vorsicht, nicht zuletzt die Fehler, die in früheren Bewertungen aufgetreten sind.

Ebenso gravierend ist die Tatsache, dass der Bericht von fünf Mitarbeitern des CERN verfasst wurde, die sich auf die wissenschaftliche Arbeit eines weiteren CERN-Mitarbeiters und eines Wissenschaftlers mit anstehender Gaststelle bei der Organisation stützten.

Das sind Menschen, deren gesamte Karriere und Lebensunterhalt davon abhingen, dass der LHC eingeschaltet wurde. Beim besten Willen der Welt ist es schwer zu erkennen, wie dies eine vernünftige Entscheidung war.

Seitdem ist die Debatte weitergegangen, wobei eine Reihe neuer Bedenken hinsichtlich der Sicherheit geäußert wurden. Wir haben dies in diesem Blog bei mehreren Gelegenheiten behandelt. Diese Bedenken müssen noch ausgeräumt werden.

Natürlich muss die Sicherheit des LHC von einem unabhängigen Team von Wissenschaftlern mit fundiertem Hintergrund in der Risikoanalyse, aber ohne berufliche oder finanzielle Verbindungen zum CERN untersucht werden. Ein kompetentes Team ließe sich sicherlich zusammenstellen, auch wenn diese Bedingung wohl die meisten Teilchenphysiker ausschließen würde.

Die Rede ist jetzt von einem LHC-Upgrade um die Leuchtkraft und Energie der Maschine auf etwa 16,5 TeV zu erhöhen. Sicherheit sollte ein zentraler Bestandteil dieser Pläne sein und ist es dennoch nicht. Die Öffentlichkeit sollte verlangen, warum.

Ref: arxiv.org/abs/1111.0657: Mikroschwarze Löcher im Labor

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