Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 42 (vyšlo 10. října), ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2008

Černé díry na urychlovači LHC

Miroslav Havránek

Dne 10. 9. 2008 došlo poblíž Ženevy k jedné z nejvýznamnějších vědeckých událostí tohoto roku. Na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu urychlovačů CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009, s úplným provozem se počítá v roce 2012. v částicové laboratoři CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvarkového-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který po závadě na jednom z magnetů byl opětovně spuštěn na konci roku 2009. S úplným provozem se počítá v roce 2012. se uskutečnil první oběh protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. okolo celého prstence v obou směrech. Protony byly injektovány z urychlovače SPSSPS – Super Proton Synchrotron, dosažitelná energie 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny intermediální bosony slabé interakce, v roce 2000 bylo poprvé vytvořeno kvark-gluonové plazma., který tvoří předchozí urychlovací stupeň. LHC by měl urychlit protony na energii 14 TeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV) nebo teraelektronvolt TeV (10¹² eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=kT). v těžišťové soustavě. Nyní je urychlovač mimo provoz kvůli závadě na supravodivém magnetu. Opětovné spuštění je plánováno na jaře příštího roku. Nový urychlovač by měl otevřít cestu k nové fyzice a prověřit současný standardní modelStandardní model – jedná se o standardní model elementárních částic (leptonů a kvarků), které interagují prostřednictvím elektromagnetické, slabé a silné interakce. Interakčními částicemi jsou fotony, intermediální bosony Z, W⁺ a W⁻ a gluony. Součástí teorie jsou dosud neobjevené Higgsovy bosony způsobující narušení symetrie v teorii. v částicové fyzice. Mezi jedno z nejdiskutovanějších témat patří produkce černých děrČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje, jiné, obří černé díry, sídlí v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky vznikající v bezprostředním okolí černé díry velmi intenzivně vyzařují. při vysokoenergetických srážkách protonů. Na toto téma je zaměřen i dnešní bulletin.

Mikroskopické černé díry

Již několik desetiletí máme celkem dobrou představu o tom, jak vznikají hvězdné černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje, jiné, obří černé díry, sídlí v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky vznikající v bezprostředním okolí černé díry velmi intenzivně vyzařují. ve vesmíru. Může za to gravitační kolaps hvězdy, která již vyčerpala své zásoby paliva a zhroutí se sama do sebe pod vlivem vlastní gravitace. Při tomto procesu dojde ke stlačení velkého množství hmoty do malého objemu. Většina informací o mateřské hvězdě se ocitne zcela mimo dosah pozorovatelů, kteří se nacházejí vně tzv. horizontu událostí. Černá díra poskytne pozorovateli pouze informaci o své hmotnosti, momentu hybnosti a elektrickém náboji. Myšlenky vedoucí k možnosti vzniku mikroskopických černých děr jsou následující: vysokoenergetické částice, jejichž rozměr je zkrácen ve směru pohybu gama faktorem (pro protony na LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu urychlovačů CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009, s úplným provozem se počítá v roce 2012. je γ = 7 460), se v okamžiku těsně před srážkou dostanou tak blízko sebe, že jejich hmota, ale hlavně kinetická energie je dostatečná pro jejich uvěznění pod horizontem událostí. Taková černá díra bude unikátní z několika důvodů. Již z podstaty jejího vytvoření bude mít velký elektrický náboj vzhledem ke své hmotnosti, což dává možnost vzniku „nahé singularity“. Dále budeme moci přímo pozorovat její vypařování a závěr života. Ne všechna dostupná energie se využije na tvorbu černé díry. V průběhu jejího vzniku dochází k silnému vyzařování gravitačních vlnGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci zhruba 1 kHz., které dosud nebyly přímo pozorovány. Tímto procesem může černá díra ztratit až 15 % energie [2]. Měřením „chybějící“ energie se dozvíme více o gravitačním vyzařování v průběhu tvorby černé díry.

Tento model vzniku černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje, jiné, obří černé díry, sídlí v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky vznikající v bezprostředním okolí černé díry velmi intenzivně vyzařují. má ale hned několik problémů. Prvním z nich jsou Heisenbergovy relace neurčitosti. Jinými slovy hybnost částic musí být natolik vysoká, aby částice mohly být lokalizovány uvnitř oblasti o rozměru Schwarzschildova poloměru. Ten vychází pro protony o energii 14 TeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV) nebo teraelektronvolt TeV (10¹² eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=kT). asi 10⁻⁵⁰ m za předpokladu že černá díra je nerotující, bez náboje, a že gravitace působí stejně i na malých škálách. Odpovídající hybnost pak vychází zcela mimo naše možnosti. Nutno podotknout, že zde se již nemůžeme spolehnout na zákony dosud známé kvantové teorie a už vůbec ne na zákony obecné teorie relativity, která dobře popisuje svět, avšak na opačném konci rozměrové škály. Zde se uplatní zákony kvantové teorie gravitace, které nyní stále nemáme k dispozici. Dalším problémem je skutečnost, že energie (hmotnost) černé díry by měla být vždy vyšší, než Planckova energiePlanckovy škály – charakteristické rozměry získané kombinací fundamentálních konstant (gravitační, Planckovy a rychlosti světla). Planckova délka vychází 10⁻³⁵ m, Planckův čas 10⁻⁴³ s a Planckova energie 10¹⁹ GeV. (hmotnost), která má hodnotu 10¹⁹ GeV – tedy opět mimo rozsah energií dosažitelných na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu urychlovačů CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009, s úplným provozem se počítá v roce 2012.. Tato mezní hodnota má spojitost s vypařováním černých děr. Podle teorie Stephena Hawkinga emitují černé díry částice o energii nepřímo úměrné rozměru horizontu událostí. Pokud by byl rozměr horizontu příliš malý (tedy hmotnost černé díry příliš malá) jediná emitovaná částice by tak měla vyšší energii, než bylo nutné k vytvoření černé díry.

Přesto však existují modely, které připouštějí vznik černých děr i na takových energetických škálách, které poskytne urychlovač LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu urychlovačů CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009, s úplným provozem se počítá v roce 2012.. Výše uvedené problémy přestanou existovat, pokud bude mít Planckova energie (analogicky i ostatní Planckovy škályPlanckovy škály – charakteristické rozměry získané kombinací fundamentálních konstant (gravitační, Planckovy a rychlosti světla). Planckova délka vychází 10⁻³⁵ m, Planckův čas 10⁻⁴³ s a Planckova energie 10¹⁹ GeV.) mnohem nižší hodnotu. Fyzikové si našli cestu jak toho dosáhnout – zavedením dalších dimenzí prostoru, které existují pouze na mikroskopické úrovni. Ve vícerozměrném prostoru má gravitační konstanta i Planckova energie vyšší hodnotu, než ve trojrozměrném prostoru. Kromě počtu dimenzí má vliv na velikost těchto fundamentálních konstant také topologie přídavných dimenzí. Pro desetidimenzionální časoprostor se hodnota Planckovy energie pohybuje okolo 1 TeV. Za těchto podmínek by při protonových srážkách na LHC vznikala každou sekundu přibližně jedna černá díra.

Hledání černých děr

Černá díra bude snadno detekovatelným objektem pro detektory na LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu urychlovačů CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009, s úplným provozem se počítá v roce 2012. díky jejímu intenzivnímu vypařování. Očekává se, že podíl hadronovéHadrony – částice složené z kvarků. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. složky k leptonovéLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité). bude 5:1 a hadronové složky k fotonovéFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. 100:1 [2]. Vysokoenergetické částice, které černá díraČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje, jiné, obří černé díry, sídlí v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky vznikající v bezprostředním okolí černé díry velmi intenzivně vyzařují. emituje v konečné fázi svého života mají přibližně rovnoměrné rozdělení směru hybnosti – tedy pokud černá díra příliš nerotuje. To znamená že částice jsou emitovány do každého směru se stejnou pravděpodobností. Pokud však při protonových srážkách na LHC nedojde ke vzniku černé díry, následně vzniklé částice budou mít zřídka kdy vysokou hodnotu transverzální hybnosti (tedy hybnosti kolmé k hybnosti primárních protonů). Předpokládá se, že počet částic s velkou transverzální hybností by měl velmi strmě narůstat od určitého energetického prahu srážených protonů. Toto by byl nezaměnitelný důkaz o existenci mikroskopické černé díry.

Obrázek z počítačové simulace vypaření černé díry na detektoru ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který by měl být schopen detekovat mimo jiné Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T..
Zdroj: Experiment ATLAS

Konec částicové fyziky ?

Produkce černých děr při vysokoenergetických srážkách nám může paradoxně navždy uzavřít dveře ke zkoumání mikrosvěta. Čím menší rozměrové škály chceme zkoumat, tím energetičtější částice musíme srážet. Pokud by však došlo k produkci černých děr již na škále několika TeV, nemá příliš velký smysl v budoucnu stavět větší urychlovače, neboť větší energie částice znamená větší černou díru, kde informace o tom, co se děje při srážce jsou navždy skryty pod horizontem událostí.

Klip týdne: Splynutí černých děr

Splynutí černých děr. Animace vytvořená superpočítačem v NASA znázorňuje splynutí dvou černých děr. Každým oběhem černé díry se vyzáří množství energie v podobě gravitačních vln, která je kompenzována snižující se potenciální energií systému. Černé díry se tedy k sobě přibližují a jejich oběžná frekvence roste. Tento proces skončí silným „zábleskem“ gravitačních vln, pří kterém dvě černé díry splynou v jednu. Na animaci je vidět nenulový kvadrupólový moment soustavy, který je podmínkou pro vyzařování gravitačních vln. Přestože experimenty pro přímou detekci gravitačních vln (LIGO, VIRGO a další) zatím jejich existenci nepotvrdily, vyzařování gravitačních vln bylo pozorováno nepřímo právě jako zkracování periody oběhu podvojného pulzaru PSR 1913+16. Zdroj: NASA/GSFC, 2008. (mpeg, 7 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu