Astrofizyka Wysokich Energii dla Fizyków Fizyka, V rok, wykład kursowy 30h Prof. Bronisław Rudak konsultacje: czwartki, 12:00 13:00 CAMK PAN, ul.rabiańska 8
Syllabus Wprowadzenie: - jednostki, terminologia, ładne obrazki Efekty relatywistyczne (STW): - mechanika (przypomnienie) - charakterystyki promieniowania źródeł makroskopowych, m.in. relatywistycznych strug (jets) Procesy elektromagnetyczne (EM) z udziałem cząstek relatywistycznych: - promieniowanie krzywiznowe i synchrotronowe - rozpraszanie Comptona - kreacja i anihilacja par elektron - pozyton
Syllabus cd. Nieelastyczne procesy hadronowe: - rezonans Delta - własności cząstek wtórnych. Astrofizyka neutrin Promieniowanie Kosmiczne: - własności - mechanizmy przyspieszania cząstek. Fizyka ważniejszych źródeł promieniowania gamma: - czarne dziury - błyski gamma (GRB) - gwiazdy neutronowe Kontekst kosmologiczny AWE: - poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii Niebarionowej (WIMPs = SUSY LSP).
Zalecana literatura G. Rybicki, A. Lightman Radiative Processes in Astrophysics (Wiley, 1979 i 1984) M. Longair High Energy Astrophysics, Vol. 1, 2 (Cambridge, 1997) G. Bicknell High Energy Astrohysics, www.mso.anu.edu.au/~geoff/hea/hea.html C. Dermer, G. Menon High Energy Radiation from Black Holes (dostępny plik pdf) T. Stanev High Energy Cosmic Rays (Springer-Praxis, 2004) A. De Angelis et al. Very High Energy Gamma Astrophysics, 2008, arxiv:0712.0315v4 (http://arxiv.org) Particle Data Group The Review of Particle Physics (http://pdg.lbl.gov)
Egzamin pisemny a) proste testy (trzy możliwości, w tym jedna prawdziwa), b) pytania wymagające zwięzłej odpowiedzi, c) proste problemy wymagające oszacowań rachunkowych (do policzenia `na palcach ). Data egzaminu do ustalenia
Kluczowe składniki AWE ultrarelatywistyczne cząstki (γ >> 1) + pola fotonowe, magnetyczne, materia Główne procesy hadronowe i leptonowe z ich udziałem:
Związek między Astrofizyką Wysokich Energii a Fizyką Wysokich Energii (Fizyką Cząstek) Przykład (slajdy nr 9-12):
Gęstość materii niebarionowej do gęstości materii barionowej: 6:1
Symulacja: satelita FERMI po roku obserwacji zarejestruje sygnał, o ile σ ~ 10 pb, Mχ~ 50 500 GeV
Niektóre jednostki tradycyjnie używane przez astrofizyków (i wielu fizyków!): 1 erg = 1.6 1012 ev = 10-7 J 1 cm = 10-2 m 1 G = 10-4 T 1 pc = 3.8 1018 cm, 1 Mpc, 1 Gpc 1 foe = 1051 erg = 1044 J
W Fizyce Cząstek i AWE energię pojedynczych cząstek tradycyjnie wyraża się w elektronowoltach: 1 ev = 1.6 10-19 J 1 kev = 103 ev 1 MeV = 106 ev 1 GeV = 109 ev 1 TeV = 1012 ev (tera-, bilion) 1PeV = 1015 ev (peta-, biliard) 1 EeV = 1018 ev (eksa-, trylion)) 1 ZeV = 1021 ev (zetta-, tryliard)
Przykłady: Typowa energia wiązania jąder atomowych ~ 10 MeV Energia spoczynkowa protonu 1 GeV Granica możliwości LHC (protony) ~ 7 TeV Maks. energia cząstek Prom. Kosmiczn. ~100 EeV --------------------------------------------------------------------------skala QCD ~ 1 GeV skala EW ~ 100 GeV skala GUT ~ 1015 GeV skala QG (skala Plancka) ~ 1019 GeV
Wkrótce stulecie odkrycia PK Problem naukowy: naładowany electroskop rozładowuje się z czasem Hipoteza: promieniowanie jonizujące powietrze wskutek radioaktywności gruntu Pomysł weryfikacji: wynieść elektroskop możliwie wysoko w balonie; sprawdzić, czy tempo jonizacji maleje Wynik - wbrew oczekiwaniom: Silny wzrost jonizacji wysoko nad powierzchnią gruntu. Promieniowanie jonizujące pochodzi spoza atmosfery ziemskiej! Viktor Hess (1912) 1936 nagroda Nobla
Baade & Zwicky (1934) Los Angeles Times, 19 stycznia 1934: Cosmic rays are caused by exploding stars which burn with a fire equal to 100 million stars and then shrivel from 1/2 million miles diameter to little spheres 14 miles thick, says Prof. Fritz Zwicky, Swiss Physicist Trzy hipotezy w jednym zdaniu: - natura supernowych - powstawanie gwiazd neutronowych - pochodzenie promieniowania kosmicznego 100% trafień!
Fale uderzeniowe w wybuchach supernowych
Dysk Galaktyki przykład udziału cząstek PK w tych procesach 1055-52 1952+32 (l.e.) 1706-44 1509-58 Vela Geminga Crab
Wiązka cząstek PK: darmowy akcelerator - odkrycia cząstek elementarnych itd. - wpływ na ewolucję biologiczną poprzez mutacje - wpływ na ośrodek międzygwiazdowy (ISM): (dynamika, jonizacja,...)
Najpotężniejsze (ale nie darmowe!) akceleratory ziemskie: D=4.3 km L=27 km CERN LHC: Ep ~ ±7 TeV Luminosity 1034 cm-2 s-1 SLAC
Granica możliwości procesu Fermiego w falach uderzeniowych w wybuchach supernowych dn/de ~ E -3 CERN LHC: s ~ 7 TeV
Fundamenty AWE obserwacje, obserwacje, obserwacje,
Astrofizyka ostatnich lat: Era wspaniałych odkryć w domenie elektromagnetycznej (E-M) oraz w fizyce cząstek Promieniowania Kosmicznego (PK). Zakres energii w obserwacjach E-M: ~70 oktaw PK: ~ 40 oktaw
Nowe obserwatoria promieniowania gamma lata 2008 i 2009
Kaskady elektronowo-fotonowe, błyski promieniowania Czerenkowa
Detecting Very High Energy γ-rays High Energy Stereoscopic System (HESS) w Namibii.
H.E.S.S. Faza II (od końca 2009 r.)