Dne 10. 9. 2008 došlo poblíž Ženevy k jedné z nejvýznamnějších vědeckých událostí tohoto roku. Na urychlovači LHC v částicové laboratoři CERN se uskutečnil první oběh protonů okolo celého prstence v obou směrech. Protony byly injektovány z urychlovače SPS, který tvoří předchozí urychlovací stupeň. LHC by měl urychlit protony na energii 14 TeV 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 model v částicové fyzice. Mezi jedno z nejdiskutovanějších témat patří produkce černých děr při vysokoenergetických srážkách protonů. Na toto téma je zaměřen i dnešní bulletin.
|
LHC – 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, první experimenty by měly být prováděny v roce 2009. 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 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být v plném provozu v roce 2009. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. SPS – 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. Černá díra – zkolabovaný objekt, ze kterého 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. 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 zhruba 1 kHz. |
| Mikroskopické černé díry |
Již několik desetiletí máme celkem dobrou představu o tom, jak vznikají hvězdné černé díry 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 LHC 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 vln, 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 díry 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 TeV 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 energie (hmotnost), která má hodnotu 1019 GeV – tedy opět mimo rozsah energií dosažitelných na urychlovači LHC. 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 složka způsobuje produkci charakteristických hadronových výtrysků. Zdroj: Experiment ATLAS |
Přesto však existují modely, které připouštějí vznik černých děr i na takových energetických škálách, které poskytne urychlovač LHC. Výše uvedené problémy přestanou existovat, pokud bude mít Planckova energie (analogicky i ostatní Planckovy škály) 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 LHC díky jejímu intenzivnímu vypařování. Očekává se, že podíl hadronové složky k leptonové bude 5:1 a hadronové složky k fotonové 100:1 [2]. Vysokoenergetické částice, které černá díra 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 ATLAS. 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.
[1] Johan Wolfgang Goethe Universität: Physics – Intros – Micro Black Holes
[2] Steven B. Giddings: High Energy Colliders as Black Hole Factories: The End of Short DIstance Physics; arxiv, hep-ph, 0106219v4
[3] P. Kulhánek: Co jsou to Planckovy škály?; součástí AB 2004/s4
Standardní 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.
Elektronvolt – 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).
Planckovy 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.
Hadrony – 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.
Leptony – 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).
Foton – 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.
