Recuerdo aquellos días en los que había mucha controversia sobre la posibilidad de que el LHC generara un agujero negro que se tragara la Tierra… ¡Qué tiempos aquellos!
Periódicamente, se publican noticias en los medios diciendo que es posible que surjan tales objetos. Generalmente se apoyan en artículos técnicos, pero también generalmente, se dan conclusiones que dichos artículos no proporcionan de manera directa.
Lo que podemos decir es que hasta la fecha no se ha encontrado ningún agujero negro en el LHC. Y parece que será así por mucho tiempo.
Vamos a intentar explicar en qué se basan los supuestos bajo los cuales se generarían agujeros negros en un acelerador de partículas del tipo LHC. Y daremos las referencias en las que se establece que ningún bicho de ese tipo se ha encontrado entre los datos del acelerador.
¿Qué hace falta para tener un agujero negro en el LHC?
Para tener un agujero negro tenemos que ser capaces de inyectar energía en una región que tenga un radio menor que su radio de Schwarzsdchild. (Para repasar estos conceptos: Recopilación sobre Agujeros Negros). El radio de Schwarzshild es una relación entre la masa/energía del sistema estudiado, la velocidad de la luz y la constante de la gravitación de Newton:
A la vista de esta expresión podemos ver que:
- Depende inversamente de la velocidad de la luz al cuadrado. Es decir, estamos dividiendo por un número muy grande.
- La energía/masa de las partículas que colisionan en un acelerador no es muy grande.
- El radio de Schwarzschild depende de G, que es una cantidad pequeña.
Es decir, que en los casos típicos de un acelerador deberíamos de poder acelerar mucho las partículas para que tuvieramos la suficiente energía como para compensar que estamos multiplicando por G (muy pequeña) y dividiendo por la velocidad de la luz al cuadrado.
Condición de Thorne
Para tener un agujero negro en el LHC deberíamos de tener colisiones de forma que la energía estuviera comprimida en una región de menor radio que el radio se Schwarzshild para esa energía:
Esto es muy difícil de conseguir porque dado que la gravedad es muy poco intensa, en los casos relevantes para un acelerador el radio de Schwarzshild es muy pequeño, tan pequeño que no es posible comprimir la energía a esos niveles.
Pero tal vez haya otra salida…
Los científicos siempre se han preguntado por qué la gravedad es la menos intensa de las interacciones. Esto recibe un nombre: El problema de la jerarquía. Y alguna vez se han puesto a pensar en qué pasaría si la gravedad en realidad no fuera tan poco intensa.
La gravedad no es lo que parece
Hay una forma de escapar de esto. Puede que la gravedad sea más intensa de lo que parece. ¿Por qué?
- Supongamos que nuestro universo tiene un número de dimensiones mayor que 4.
- Las interacciones no gravitatorias entre partículas elementales solo ven las 4 dimensiones usuales.
- La gravedad, sin embargo, se «movería» en todas las dimensiones disponibles.
- Que veamos una gravedad débil en nuestras dimensiones solo es debido a que solo percibimos parte de la «gravedad real».
Esto implica que si uno puede acceder a las dimensiones extra entonces la gravedad se mostraría tan intensa como el resto de las interacciones y por lo tanto el radio de Schwarzschild sería mayor con lo que cumplir con la condición de Thorne sería mucho más fácil.
Es decir, para poder llegar a tener agujeros negros en el LHC tenemos dos opciones:
- Que la gravedad sea tal y como es y que no existan dimensiones extra por debajo del milímetro y entonces hay que tener colisiones mucho más energéticas que las de LHC para producir agujeros negros.
- Que hayan más dimensiones extra, y entonces llegada a la energía en las que se pusieran de manifiesto la gravedad sería tan intensa como el resto de interacciones y sería posible tener agujeros negros en el acelerador.
No está mal la cosa…
Aunque han habido recientemente revisiones de la condición de Thorne que de hecho bajan la cota a la que se podrían formar agujeros negros por colisiones:
Ultrarelativistic Black Hole Formation
Esto no asegura que se puedan dar las condiciones necesarias para que estos objetos aparezcan en el LHC. Solo han bajado una cota para que estos tengan posibilidad de ser creados, pero no lo asegura.
Sobre los modelos de dimensiones extra
En este blog ya hemos hablado de uno de estos modelos:
El otro modelo, ADD, lo trataremos en breve.
Lo que hay que aclarar es que el ingrediente esencial para predecir agujeros negros en colisiones en el LHC es que existan dimensiones extra. Encontrar agujeros negros en el acelerador abriría la puerta a estudiar dichas dimensiones y empezaría la era de la gravedad cuántica experimental. Pero, por el momento, nada de esto ha sido confirmado experimentalmente.
Ultimos datos
En un artículo, del equipo del experimento CMS del LHC, del pasado 21 de Marzo se dice que:
- Los agujeros negros de masas entre 4.3 y 6.2 TeV están excluidos.
En un estudio realizado con los datos de las colisiones del 2012 de energía 8TeV en centro de masas.
El artículo:
Search for microscopic black holes in pp collisions at 
Por supuesto, que tendremos que seguir esperando a nuevos datos y colisiones de mayor energía. (Se supone que el LHC podrá llegar e incluso superar por algo los 14 TeV). Pero por el momento, no se han encontrado bichos negros por Ginebra.
Nos seguimos leyendo…
Cuentos Cuánticos 
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Me has abierto el cielo!!!
Muchas gracias!
Aunque no consigue entender muy bien lo de la longitud de onda de Compton, es la primera vez que oigo hablar de ella (tengo 17 años). Me he leido varios documentos pero no consigo entenderlo. Podrías explicar mejor esta frase » Para una partícula de masa M en reposo no podemos precisar su posición más allá de la longitud de onda Compton asociada»?
Gracias de verdad 🙂
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Perfectamente explicado, gracias
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¿qué tipo de sensores ocuparían para detectar la presencia de un mini agujero negro?
Hablaremos de eso en una próxima entrada. Pero los agujeros dejarían una señal «clara» en los detectores que ya tiene el acelerador. Si este emite en radiación Hawking no se conservarían números leptónicos ni bariónicos, además la distribución de partículas emitidas sería simétrica. Esto es una gran diferencia con los procesos usuales que suelen estar en forma de jets o en direcciones definidas por la conservación del momento.
Sería posible calcular la energía mínima (TeV) que necesitaría el LHC (o cualquier otro hipotético acelerador de partículas) para crear un agujero negro teniendo en cuenta los datos conocidos, la ecuación del Radio de Schwarzschild, etc.?
Claro, se puede calcular la energía mínima necesaria y la probabilidad de que en una colisión aparezcan los dichosos agujeros. El problema es que estas cantidades dependen de cosas como dimensiones extra y cosas por el estilo que no sabemos si existen o no. Así que si aparecieran los agujeros negros sería una gran noticia, nos darían mucha información de cosas que no esperamos.
🙂
Y si tuviésemos en cuenta solo el primer supuesto? El de que la gravedad es débil y sin dimensiones extra? Es solo curiosidad, vamos, que si hay alguna manera sencilla de calcularlo y decir «Pues necesitariamos aplicar 2000TeV (por ejemplo) para poder crear un agujero negro microscopico» sería interesante conocer esta energia minima.
Y claro, como no, descubrir un agujero negro y confirmar las dimensiones extra, seria muy interesante, ya que al parecer todos los datos que arroja el LHC hasta el momento encajan en el ‘aburrido’ modelo estandar xD
En el caso que comentas, gravedad débil (equivale a masa de Planck grande) y sin dimensiones extra la energía a la que deberíamos generar colisiones es la energía de Planck. Eso está muy lejos de lo que el LHC puede conseguir.
La única forma en la que el LHC podría crear agujeros negros es debida a la existencia de dimensiones extra. Nos toca esperar 🙂
Cómo has deducido que la energía mínima seria la energia de Planck?
Es que estoy haciendo un trabajo para final de instituto sobre agujeros negros en el LHC no entiendo por donde tiras.
En el caso de la energia de Planck y haciendo la conversión a masa y aplicando la formula del radio de Schwarzschild, me da aprox .6,44E-36m
y me parece que es imposible comprimir algo a tal escala.
¿Puedes precisar un poco más tu pregunta? ¿Te refieres a como se deduce que la menor masa de un agujero negro microscópico es la masa de Planck?
Exacto
Para una partícula de masa M en reposo no podemos precisar su posición más allá de la longitud de onda Compton asociada:
Supongamos que tenemos una partícula cuya longitud Compton es el radio de Schwarzschild asociado a su masa:
Si igualas la longitud de onda Compton y el radio de Schwarzschild podrás determinar la menor masa posible que consigue que esas cantidades sean iguales… Despeja la masa y verás lo que sale 🙂
Me has abierto el cielo!!!
Muchas gracias!
Aunque no consigue entender muy bien lo de la longitud de onda de Compton, es la primera vez que oigo hablar de ella (tengo 17 años). Me he leido varios documentos pero no consigo entenderlo. Podrias explicar mejor esta frase » Para una partícula de masa M en reposo no podemos precisar su posición más allá de la longitud de onda Compton asociada»?
Gracias de verdad 🙂