| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
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 nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu 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. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. 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 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. 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, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír)., 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), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. 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 – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+, W−, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole. 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. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící 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.
|
LHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu 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. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. CERN – 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 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. SPS – Super Proton Synchrotron, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír). Černá 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. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící 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. Gravitační 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 od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO. |
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. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící 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 nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu 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. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. 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 od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO., 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.
Srážka dvou protonů s vysokou energií může způsobit vznik černé díry. Jednou z klíčových podmínek pro tento proces je nízká hodnota tzv. impaktního parametru (na obrázku je označen b). Poloměr černé díry (tzv. Schwarzschildův poloměr) je na obrázku označen RH. Zdroj: [1]
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. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící 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), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. 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, Planckova hmotnost 10−8 kg 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 nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu 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. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.. 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.
Obrázek z počítačové simulace. Černá díra v závěru svého života emituje částice s vysokou energií. Kvarková složkaKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. způsobuje produkci charakteristických hadronovýchHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou jadernou interakcí. 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. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů. výtrysků. Zdroj: Experiment ATLAS
Přesto však existují modely, které připouštějí vznik černých děr i na takových energetických škálách, které poskytne urychlovač LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu 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. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.. 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, Planckova hmotnost 10−8 kg 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 nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu 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. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. díky jejímu intenzivnímu vypařování. Očekává se, že podíl hadronovéHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou jadernou interakcí. 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. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů. 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 – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. 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. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. 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. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící 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 je mj. schopen detekovat 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
[1] Johan Wolfgang Goethe Universität: Physics – Intros – Micro Black Holes
[3] P. Kulhánek: Co jsou to Planckovy škály?; součástí AB 2004/s4
