Inpakken en wegwezen

De nieuwe botsingsmachine die in 2007 in Genève in bedrijf komt, zou wel eens mini-zwarte gaatjes kunnen produceren. Theoretisch fysici opperen nu dat die uit ons heelal ontsnappen.

MINI-ZWARTE gaten zijn een potentieel krachtig instrument om het bestaan van extra dimensies in ons heelal aan te tonen. In Physical Review Letters van 14 oktober komen de theoretisch fysici Antonio Flachi en Takahiro Tanaka van de Kyoto-universiteit in Japan met de suggestie dat zwarte gaten van miniatuurformaat zich van onze wereld kunnen afsplitsen om hun leven in een eigen universumpje te vervolgen. De hoop bestaat dat deze exotische gang van zaken te zien is met de Large Hadron Collider, de nieuwe Geneefse deeltjesversneller die in 2007 in gebruik komt.

Extra dimensies, bovenop de vier voor ruimte en tijd waarmee we in de wereld van het alledaagse toekunnen, komen fysici goed uit in hun pogingen om een `theorie van alles' te construeren. In zo'n overkoepelende beschrijving van de natuurkrachten heeft ook de zwaartekracht zijn plek. In het Standaardmodel van elementaire deeltjes en hun interacties is dat niet het geval. Zwaartekracht, onderwerp van Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915, is een notoire dwarsligger.

Zwarte gaten zijn vooral bekend uit de astronomie. Materie zit er zo compact op elkaar dat niets, zelfs geen licht, aan het enorm sterke zwaartekrachtsveld kan ontsnappen. Toch zijn zwarte gaten niet pikzwart. Het was Stephen Hawking die in de jaren zeventig ontdekte dat als gevolg van quantumeffecten (virtuele deeltjes die hun leven danken aan Heisenbergs onzekerheidsrelatie) het zwarte gat aan de rand deeltjes verliest en dus verdampt. Voor een groot zwart gat, zoals de miljarden zonsmassa's zware exemplaren die zich in het centrum van sterrenstelsels ophouden, gaat dat verdampen traag. Maar een mini-zwart gat met een massa van bijvoorbeeld een paar honderd protonen is binnen de kortste keren `op', met een felle flits aan allerhande elementaire deeltjes als laatste ademtocht.

Fysici die zich met extra dimensies bezighouden, hebben grote belangstelling voor mini-zwarte gaten. In quantumtheorieën van de zwaartekracht, zoals de snaartheorie, hanteren ze tien dimensies – anders `werken' die theorieën niet. Die extra dimensies zijn in het dagelijks leven onzichtbaar, omdat ze tot minuscule afmetingen zijn `opgerold'. Niettemin zijn ze voor de zwaartekracht van enorme betekenis.

Altijd hebben fysici zich afgevraagd waarom zwaartekracht zo extreem zwakker is dan de andere drie basiskrachten in de natuur (de elektromagnetische, de sterke en de zwakke kracht). In den beginne, kort na de Oerknal 13,6 miljard jaar geleden, bestond het heelal uit een hete oersoep waarin geen onderscheid bestond tussen die natuurkrachten. Naarmate het heelal afkoelde, ging deze eenheid stapsgewijs verloren en splitste de geünificeerde kracht zich op tot de vier wisselwerkingen die we nu kennen. Zwaartekracht kwam al heel snel op zichzelf te staan, de overige drie pas bij aanzienlijk lagere energie.

Dat proces is om te keren in een deeltjesversneller. Daarin worden de hoge temperaturen uit het prille heelal benaderd door deeltjes met enorme energieën op elkaar te laten knallen. In de jaren tachtig bereikten versnellers voldoende kracht om het elektromagnetisme en de zwakke kracht met elkaar te verenigen en weldra zal ook de sterke wisselwerking met die elektro-zwakke wisselwerking samenvloeien. Maar ook zwaartekracht onder die noemer brengen zal niet lukken, daarvoor is het energiegat eenvoudig te groot.

Vanwaar de zwakte van de zwaartekracht? Volgens sommige fysici komt het omdat zwaartekracht als enige natuurkracht ook in de extra dimensies werkt. In de moderne natuurkunde bestaat wisselwerking uit het uitwisselen van deeltjes. Twee elektronen die elkaar afstoten, wisselen fotonen uit – denk aan twee rolschaatsers die elkaar bakstenen toewerpen en daardoor uit elkaar bewegen. In het geval van de zwaartekracht heten de betrokken deeltjes gravitonen. Als die gravitonen grotendeels naar andere dimensies kunnen ontsnappen, is het geen wonder dat voor de vierdimensionale heelalbewoner de zwaartekracht zwak uitvalt.

ware aard Gevolg van deze visie is dat op zeer kleine schaal, als de extra dimensies er wel degelijk toe doen, de zwaartekracht zijn ware aard toont en veel sterker uitpakt dan op grond van de theorie van Newton mag worden verwacht. Van dat gegeven kan de Large Hadron Collider profiteren. Vanaf 2007 zullen in Genève in een ondergrondse ring protonen met een energie van 4 TeV (tera-elektrovolt) per stuk op elkaar knallen. In een vierdimensionale ruimtetijd, dus zonder extra dimensies, is dat lang niet genoeg om protonen zo dicht op elkaar te krijgen dat de zwaartekracht ze tot een minuscuul zwart gat smeedt. Maar met een stuk of wat extra dimensies, die de zwaartekracht op korte afstanden veel sterker maken, lukt dat wel.

Overigens gaat van mini-zwarte gaten geen gevaar uit. Ze zijn op geen enkele wijze te vergelijken met de astronomische slokops die met kosmisch geweld nabijgelegen materie binnenzuigen. Voor dit soort spektakel zijn mini-zwarte gaten veel te klein. Ze zijn nog het best te vergelijken met andere exotische botsingsproducten in deeltjesversnellers.

Wat gebeurt er met mini-zwarte gaten vóór ze verdampen? Antonio Flachi en Takahiro Tanaka komen met een opmerkelijk scenario. Theoretisch fysici die met quantumzwaartekracht werken, vatten onze vierdimensionale ruimtetijd op als een soort vliegend tapijt (brane) in een tiendimensionaal universum – denk aan een A4-tje dat door de lucht vliegt, met het papier in de rol van tweedimensionale ruimtetijd. Gravitonen, de deeltjes van de zwaartekracht, kunnen zoals gezegd uit dat vliegende tapijt ontsnappen. Bij een vlak tapijt met voldoende rek, zo vonden Flachi en Takahiro, zou een mini-zwart gat loodrecht op het tapijt een graviton kunnen wegschieten. Dat gaat gepaard met een terugstoot (denk aan een kanon dat een kogel afschiet) die in het tapijt een kuil slaat: substantiële lokale vervorming van de ruimtetijd.

baby-tapijtje

Op de computer, gevoed met de algemene relativiteitstheorie van Einstein en met diverse aannames omtrent de eigenschappen van het tapijt, rekenden Flachi en Takahiri door wat er vervolgens gebeurt. Bij voldoende rek in het tapijt, zo was de uitkomst, was de kuil in staat zich van het tapijt los te scheuren. Aldus raakte het mini-zwarte gat ingepakt in een baby-tapijtje dat dat geheel los stond van ons universum. Het mini-zwarte gat was gevlogen, onbereibaar in een ander heelal. Bij een stugger tapijt daarentegen treedt zo'n afscheiding niet op en blijft het mini-zwarte gat ons tapijt trouw – waar verdamping tot een snel en spectaculair levenseinde voert.

De zwarte gaten die hopelijk in LHC opduiken, hebben dus iets te zeggen over de eigenschappen van ons vliegende tapijt, de vierdimensionale ruimtetijd, en over de compactheid van de extra dimensies. Intussen raken sommige fysici wat kriegelig van zulke scenario's. Liever dan allerlei theoretische aannames over de natuur te doen, al dan niet vergezocht, wachten ze tot LHC over twee jaar in bedrijf gaat. Want het enige dat telt is het experiment.