Czarne Dziury w Laboratorium?

Transkrypt

1 Wykład habilitacyjny 1 Czarne Dziury w Laboratorium? WIESŁAW PŁACZEK Instytut Informatyki Uniwersytetu Jagiellońskiego Plan: Co to s a czarne dziury? Problem hierarchii i dodatkowe wymiary przestrzenne. Produkcja czarnych dziur w akcelaratorach cz astek. Sygnały eksperymentalne czarnych dziur. Podsumowanie.

2 Co to sa czarne dziury?2,,czarne dziury to najbardziej niezwykłe obiekty w kosmosie wieczna pułapka dla materii i światła, żarłoczna osobliwość, być może wrota do innych światów : Schwarzschild rozwi I. Nowikow,,,Czarne dziury i Wszechświat azanie dla statycznego, sferycznie symetrycznego pola grawitacyjnego w pustej czasoprzestrzeni wokół obiektu o dużej masie (np. gwiazdy). Dla,,Patologiczne zachowanie dla obiektów o promieniu ( stała grawitacyjna, nic nie może si pr (promień Schwarzschilda) edkość światła w próżni, e wydostać na zewn kolaps grawitacyjny (Oppenheimer & Snyder, 1939) Powierzchnia (sfera) o promieniu Słońce: km, : masa obiektu) atrz (nawet światło!) horyzont Schwarzschilda. Ziemia: cm, neutron:?? Prawdziwy efekt fizyczny czy tylko patologia wspólrz (załamuj a si e dla ) m. ednych Schwarzschilda?

3 Co to sa czarne dziury?3 1960: Współrz edne Kruskala Szekeresa opis zjawisk dla potwierdzenie istnienia horyzontu Schwarzschilda. Koniec lat 60-tych: Wheeler termin,,czarna dziura (ang. black hole). 1974: Hawking kwantowomechaniczna emisja promieniowania przez czarne dziury. Zasada nieoznaczoności Heisenberga: ( niepewność energii cz astki przebywajacej w stanie kwantowomechanicznym przez czas ; stała Plancka). Fluktuacja w pobliżu para cz horyzont i zostaje,,wessany przez czarn astek, np. fotonów: jeden dostaje si a dziur e, a drugi ucieka na zewn widmo promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze: Np. dla ( (masa słońca): czas życia: stała Boltzmanna). ; lat. Efekt zaniedbywalny dla dużych czarnych dziur! e pod atrz

4 Co to sa czarne dziury?4 Ewidencja eksperymentalna Czarn dziura a może stać sie dostatecznie masywna gwiazda, wyczerpaniu paliwa j droga adrowego kolapsu grawitacyjnego. po Silne przesłanki obserwacyjne poparte argumentami teoretycznymi: układy podwójne widoczna gwiazda niewidoczny masywny obiekt centra galaktyk czarne dziury o masach rotacji) (z pomiarów pr edkości kwazary? (aktywne j adra galaktyk prawdopodobnie zawierajace czarne dziury)

5 a Problem hierarchii i dodatkowe wymiary przestrzenne 5 Jednostki: Stała grawitacyjna: cm długość Plancka, (określaj Grawitacja bardzo słaba! elektronami jest ok. 42 rz Dla oddziaływań elektrosłabych: EW Skala elektrosłaba cm, (np. przyci a charakterystyczna skal e dla grawitacji) aganie grawitacyjne mi GeV masa Plancka edzy dwoma edy wielkości słabsze od ich odpychania elektrostatycznego) EW 16 rz TeV ( GeV) Problem hierarchii: edów wielkości Skala Plancka (grawitacji) Model Standardowy aby był prawdziwy do skali Plancka wymaga subtelnego Dopiero dla energii pozostałych oddziaływań dostrojenia parametrów! GeV siła grawitacji staje si nieosi Dlaczego grawitacja taka słaba? e porównywalna z sił agalne dla akceleratorów czastek!

6 "! & % $ )( ',, - Problem hierarchii i dodatkowe wymiary przestrzenne 6 Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali (1998):,,Dodatkowe duże wymiary Może grawitacja,,czuje wi ecej wymiarów przestrzennych, normalnie niewidocznych bo zwini etych w petle o bardzo małym promieniu? Załóżmy istnienie dodatkowych wymiarów o promieniu : Potencjał grawitacyjny: dla, dla, ( stała grawitacyjna w wymiarowej czasoprzestrzeni) Stała grawitacyjna w wymiarach: Przypuśćmy, że w wymiarach: Skala grawitacji Skala elektrosłaba tzn. # cm km mm nm pm pm +* fm wykluczone (np. dynamika Układu Słonecznego) obecnie sprawdzane w eksperymentach typu Cavendisha, Eötvösha, etc. może być badane w eksperymentach fizyki cz astek!

7 Problem hierarchii i dodatkowe wymiary przestrzenne 7 Co z pozostałymi oddziaływaniami? Nie,,czuj a dodatkowych wymiarów! Dlaczego? Wyjaśnienia może dostarczyć teoria strun: cz astki struny (zamkni ete lub otwarte) dodatkowe struktury brany (tzn. wielowymiarowe membrany) grawitony pozostałe cz zamkni ete struny mog a poruszać si e w całej przestrzeni astki otwarte struny o końcach,,przytwierdzonych do -wymiarowej brany Tylko grawitacja czuje wszystkie wymiary, pozostałe oddziaływania, cz astki (również my),,uwi ezione na -wymiarowej (czasoprzestrzennej) branie. Pytania: Dlaczego dodatkowe wymiary takie duże, co je stabilizuje? W teorii strun,,naturalne rozmiary dodatkowych wymiarów, to cm.

8 ' Problem hierarchii i dodatkowe wymiary przestrzenne 8 Randal & Sundrum (1999):,,Spaczone geometrie Rozwi azanie równań Einsteina w 5-wymiarowej czasoprzestrzeni wokół 4-wymiarowej brany energii próżni (stałej kosmologicznej) przestrzeń anty-de Sittera (AdS), tzn. przestrzeń o ujemnej Geometria czasoprzestrzeni silnie zakrzywiona (,,spaczona ; ang.,,warped ) 4-wymiarowa grawitacja słabnie eksponencjalnie z odległości a od brany grawitacja skoncentrowana blisko brany (tzw. brany Plancka) dodatkowy wymiar może być duży (nawet nieskończony). Przypuśćmy, że sa dwie 4-brany w 5-ciu wymiarach: 1) Brana Plancka niedost epna dla nas pułapkuj aca grawitacj e 2) Brana TeV na której my żyjemy, w pewnej odległości ( ) od brany Plancka; grawitacja na tej branie jest osłabiona eksponencjalnie przez tzw.,,czynnik spaczenia Wyjaśnienie dla problemu hierarchii! Teoria bardzo intensywnie rozwijana w ostatnich latach ( tzw. długość krzywizny). Wiele odmian próbuj acych rozwiazać różne problemy fizyki czastek, kosmologii, etc.

9 Produkcja czarnych dziur w akcelaratorach czastek 9 Skala grawitacji TeV mikro czarne dziury o masie Możliwość produkcji w przyszłych akceleratorach cz astek! TeV Large Hadron Collider (LHC) w CERN, Genewa; planowany start: 2007 (?) zderzenia proton-proton przy energiach w środku masy Produkcja czarnych dziur w zderzeniach czastek Problem mało dot wymiarach dopiero ostatnio zacz ad zbadany, zwłaszcza w odniesieniu do grawitacji w eto go dokładniej studiować. TeV. Podejście semiklasyczne pozwala oszacować przekrój czynny na produkcj czarnych dziur w zderzeniach wysokich energii i opisać ich główne sygnały eksperymentalne ale przy pewnych założeniach! Przybliżenia semiklasyczne wymaga odpowiednio masywnych czarnych dziur:, tzn. dla TeV: TeV wtedy można zaniedbac efekty kwantowej grawitacji (całkowicie nieznane!) Dodatkowo: rozwi azanie dla płaskiej czasoprzestrzeni ( rozmiar dodatkowych wymiarów) e

10 "! - - Produkcja czarnych dziur w akcelaratorach czastek 10 Przekrój czynny na produkcj e czarnych dziur w zderzeniach proton-proton: gdzie:, funkcje struktury (g estości partonowe), minimalna masa czarnej dziury, dla której ten opis si e stosuje; partonowy przekrój czynny. Z argumentów geometrycznych (hipoteza Thorne a): gdzie promień Schwarzschilda dla wymiarów: #! tzn. jeżeli parametr zderzenia partonów Przekrój czynny rośne z energi LHC: dla dla TeV: TeV: a:. czarna dziura na sekund czarne dziury na dzień. czarna dziura o masie e,. LHC fabryka czarnych dziur!

11 Sygnały eksperymentalne czarnych dziur 11 Co dzieje sie z mikro czarna dziura Zaczyna si e rozpadać! Rozpad czarnej dziury można podzielić na 3 etapy: I etap:,,łysienie Formowanie czarnej dziury gwałtowny proces tzn. obdarzona,,fryzur a momentów multipolowych Czarna dziura traci,,włosy (momenty multipolowe) emituj promieniowanie grawitacyjne (ewentualnie kilka gluonów) Na tym etapie czarna dziura traci ok. Końcowy efekt: rotuj po wyprodukowaniu? masy. aca czarna dziura, tzw. dziura Kerra. Sygnały eksperymentalne: praktycznie niewidoczne!,,włochata czarna dziura, ac głównie II etap:,,parowanie przez promieniowanie Hawkinga Dwie fazy: a) Wyhamowywanie rotacji czarna dziura pozbywa si promieniowania o kr ecie i energii Końcowy efekt: czarna dziura Schwarzschilda kretu e emituj. ac kwanty

12 % & $ Sygnały eksperymentalne czarnych dziur 12 b) Faza Schwarzschilda strata ok. 75% energii Emisja głównie cz astek Modelu Standardowego: kwarków i gluonów ( leptonów ( Temperatura Hawkinga: ), fotonów ( (np. dla Sygnały eksperymentalne: Przypadki o dużych krotnościach ( strumieni hadronowych i leptonów. ) rozkład izotropowy. TeV, ) twardych ( : GeV) GeV) ) III etap: Faza Plancka całkowity rozpad czarnej dziury Kiedy masa czarnej dziury spada do istotne staj a si e efekty kwantowej grawitacji! Prawdopodobnie rozpad na kilka kwantów o energiach opis Hawkinga załamuje si. Sygnały eksperymentalne: Kilka najbardziej energetycznych kwantów. Informacja o naturze kwantowej grawitacji! e Rozpady czarnych dziur powinny być dość spektakularne!

13 Podsumowanie 13 W obecności dodatkowych dużych wymiarów przestrzennych skala Plancka może być równa skali oddziaływań elektrosłabych, tzn. Jedn a z konsekwencji skali Plancka czarnych dziur w przyszłych akceleratorach cz astek. Np. LHC może być prawdziw fabryka a czarnych dziur! TeV. TeV jest możliwość produkcji mikro Mikro czarne dziury powinny rozpadać si e (wyparowywać) głównie przez promieniowanie Hawkinga Sygnały eksperymentalne w postaci przypadków o dużej krotności ( strumieni hadronowych i leptonów (z małym tłem). Produkty rozpadu czarnych dziur mog a dostarczyć ważnych informacji nt. natury czarnych dziur, kwantowej grawitacji, etc. Czy grozi nam jakieś niebezpieczeństwo? (np. jeżeli Hawking si e myli?!) Jeżeli powyższe teorie s prawdziwe, to czarne dziury produkowane sa a w naszej atmosferze przez promienie kosmiczne, np. dla TeV: (dotychczasowe eksperymenty zbyt mało czułe, przyszłe maj a szanse). /rok, )