Dejan Stojkovic - Crne rupe u kosmosu i laboratoriji

1,878 views

Published on

Lecture by Prof. Dr. Dejan Stojkovic (Unversity at Buffalo, The State University of New York, USA) on March 21, 2012 at the Faculty of Science and Mathematics, Niš

Published in: Education
0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
1,878
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
434
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Dejan Stojkovic - Crne rupe u kosmosu i laboratoriji

  1. 1. Crne rupe u kosmosu i laboratoriji Dejan Stojkovic SUNY at Buffalo 1
  2. 2. Marko Jaric Upravni Odbor Fonda ZIRI za dodelu nagrade Gospodja Marija Jaric, supruga Marka Jarica1. Prof. Dr. Milutin Blagojevic, IF Prof. Dr. Jovo Jaric, predstavnik porodice Jaric2. Prof. Dr. Milan Knezevic, PMF Prof. Dr. Ilija Savic, PMF3. Prof. Dr. Vitomir Milanovic, ETF Dr. Milivoj Belic, IF4. Dr. Dejan Pantelic, IF Dr. Petar Adzic, Vinca5. Dr. Aleksandar Bogojevic, IF Prof. Dr. Jablan Dojcilovic, PMF Zoran Pesic, SANU 2
  3. 3. Moj naucni rad:• Elementarne cestice• Gravitacija• Kosmologija
  4. 4. Struktura Univerzuma Proucavanje Univerzuma na fundamentalnom nivou povezanost mikro i makro kosmosa Big Bang Proton Atom Radijus Zemlje Rastojanje Zemlja-Sunce Radijus Galaksije Univerzum LHCSuper-Mikroskop WMAP Hubble ALMA VLT
  5. 5. Znacajan progres je napravljen u poslednjih nekoliko hiljada godina
  6. 6. Otvorena Pitanja Masa Cestica? Tamna Energija? Tamna Materija?Unifikacija Interakcija? Asimetrija izmedju materije i antimaterije LHC Odgovore na ova pitanja moze nam dati LHC u CERN-u
  7. 7. LHC: Ulazak u novu eru fundamentalne nauke CMS LHCb ALICE Tsinghua University 8 ATLAS Beijing, April 2009
  8. 8. Mini crne rupe na LHC-u
  9. 9. Motivacija• Crne rupe su najinteresantnija i najintrigantnija resenja Einstein-ovih jednacina• Ekstra dimenzije izgleda da su neophodne u konacnoj teoriji fizike visokih energija (unifikacija) Gravitacija + ekstra dimenzije Crne rupe u akceleratorima!
  10. 10. Gravitacija Druga Kosmicka Brzina: Potrebna da bi se savladala gravitacija nekog objektaZemlja: Vkos = 11 km/sSunce: Vkos = 600 km/s
  11. 11. Kosmicke Brzine 13
  12. 12. • 1915: General Relativity, Einstein, Teorija Gravitacije• 1916: Schwarzschild pronalazi resenje za crne rupeAlbert Einstein Karl Schwarzschild
  13. 13. Schwarzschild – ovo resenje, 1916: 2 RS 2 2 1 s 1 c dt dR 2 R 2d 2 R 1 RS / RR = RS Metrika ima koordinatnu singularnostR=0 Metrika ima pravu fizicku singularnost Nije solidna povrsina Sva masa je skoncentrisana u centru 15
  14. 14. Prva upotreba termina “Crne Rupe” – Wheeler, 1967 17
  15. 15. Crne rupe I• Crne rupe formirane u kolapsu zvezdane materije• Krajnja tacka evolucije zvezde• Evoluiraju dalje spajanjem sa drugim crnim rupama i akumulacijom okolnog materijala• Masa M Sun 1010 M Sun 18
  16. 16. Najmasivnija crna rupa ikada otkrivena! Sazvezdje: Cancer Daljina od nas: 3.5 milijarde sv. godina Masa: 17 milijardi suncevih masa 19
  17. 17. 20
  18. 18. 21
  19. 19. Crne rupe II• Male primordijalne crne rupe• rani univerzum, velike fluktuacije u gustini energije M Pl 10 5 g• masa: MPl MSun M Sun 1033 g 22
  20. 20. Crne rupe IIICrne rupe formirane u laboratoriji 23
  21. 21. Ekstra Dimenzije• Nas svet je manifestno (3+1)-dimenzionalni na vecim rastojanjima• Kaluza (1921) i Klein (1926) uvode petu dimenziju da bi ujedinili gravitaciju sa elektromagnetizmom Kaluza Klein• Peta dimenzija je u obliku kruga• Radijus kruga je vrlo mali: 33 R LPl 10 cm 24
  22. 22. Vise dimenzionalni objekti? 25
  23. 23. Jaka gravitacija: ADD model Arkani-Hamed, Dimopoulos and Dvali, Phys. Lett. B 429, 263 (1998) Antoniadis, Arkani-Hamed, Dimopoulos and Dvali, Phys. Lett. B 436,257 (1998)• Prostor u kome zivimo se sastoji od:• 3+n space-like dimenzija (bulk)• n ekstra dimenzija je kompaktifikovano sa radijusom R • Samo gravitoni mogu da propagiraju u svim dimenzijama • Cestice SM su lokalizovane na 3-dim potprostoru (brane) 26
  24. 24. U ovom modelu:• Gravitacija je jaka kao i electroweak interakcija• Ali je gravitaciona sila razredjena prisustvom ekstra dimenzija Slaba gravitacija je samo iluzija za posmatraca lokalizovanog na “brane” 27
  25. 25. Ekstra dimenzije →Mozemo govoriti o ne-perturbativnim efektimakvantne gravitacije na energijama dostupnim uakceleratorima: Mini Crne Rupe 28
  26. 26. Crne rupe u akceleratorimaAkcelerator cestica (Large Hadron Collider):Sudar dve cestice sa energijom CM ECMAko je impakt parametar b manji od 2RH za datu ECM . Trans-Planckian energies Crna rupa sa masom M ~ ECM je formirana! 29
  27. 27. Large Hadron Collider LHC: ECM =14 TeV 2 (M ) RH Numericke procene:107 crnih rupa godisnje ako je M* =1 TeV LHC – “black hole factory”! 30
  28. 28. Mart 2008. godine:Walter Wagner, penzionisani nuklearni fizicarLuis Sancho, spanski novinarPokrecu sudski spor da zaustave LHC 31
  29. 29. 32
  30. 30. Hawking (1974): Crne rupe zrace!
  31. 31. 34
  32. 32. Temperatura zracenja crne rupe T ~ 1/RS• Velike crne rupe su vrlo hladne• Vreme isparavanja je vrlo dugo• Crna rupa Zemljine mase T~ 0.02 K (zivot 1050 godina)• Crna rupa Sunceve mase T~ 10-7 K (zivot 1067 godina) Male crne rupe su vrlo tople Isparavaju vrlo brzo Crne rupe mase 105 kg imaju zivot od 1 sekunde To je energija od 1022 J oslobodjena u 1 sekundi (ekvivalentno eksploziji 106 megatona TNT-a) 35
  33. 33. Zivot male crne rupe je vrlo kratak: TeV (10-21gram) crna rupa zivi 10-27 sec → nestaje u mini eksploziji gotovo trenutno n 1 M BH• Broj emitovanih cestica jednak je entropiji crne rupe: S n 2 TBH• Na pr. 5 TeV crna rupa moze da emituje oko 30 cestica“BH event” moze da ostavi spektakularni trag u akceleratorimaAli ne moze da unisti Zemlju! 36
  34. 34. Kosmicki Zraci• Zemlja je konstantno bombardovana kosmickim zracima• Vecina dolazi sa Sunca• Neki dolaze iz galaktickih•A neki iz inter-galaktickih izvora 37
  35. 35. Crne rupe i kosmicki zraci• Kosmicki zraci su nasi besplatni akceleratori• Detektovani dogadjaji sa ECM od 100 TeV• Ako je M ≈1TeV (energija kvantne gravitacije), onda *mini crne rupe mogu biti proizvedene u atmosferi• Predlozeni mehanizam:- neutrino-nukleon scattering duboko u atmosferi 38
  36. 36. “Auger Observatory” • Trenutno najmodernija opservatorija za kosmicko zracenje (uz IceCube na Juznom Polu) • Locirana u Argentini (Pampa Amarillas)Pierre Auger•1600 Cerenkovih detektora• 4 “air fluorescence” teleskopa• Instaliranih na povrsini od preko 3000 km2 39
  37. 37. Vise-dimenzionalne crne rupe: teorijaD. Stojkovic, V. Frolov 4D black hole 5D black hole Parameters M, a M, a, b Killing Vectors ∂t, ∂Φ ∂t, ∂Φ, ∂ψ Killing Tensor Yes Yes Scalar field Yes Yes separation of variables Stable circular orbits Vreme: Yes Vreme: No Superradiance Yes Yes Higher spin fields 30 godina Yes 2 godine ? separation of variables Decoupling Yes ? Algebraically special Yes Yes Two principle null Yes Yes congruencies (PNC) Petrov class D Yes Yes PNC is shear free Yes No
  38. 38. Gde crne rupe dominantno emituju? “Brane” ili “Bulk”?λT > RS point radiator s-mod dominiraEmituje ravnopravno u svim pravcima Broj stepena slobode je mnogo veci na “brane” ? (60 cestica SM vs. 1 graviton) 41
  39. 39. Gde crne rupe dominantno emituju? “Brane” ili “Bulk”?Problem 1: broj stepena slobode gravitona u N+1 dimenziji je: N ( N 1)( N 2) / 2 N 9, N 35 • LHC: impakt parametar → ugaoni momenatProblem 2: → kreirane crne rupe ce biti rotirajuce • Rotirajuce crne rupe → “superradiance” → emisija gravitona dominira V. Frolov, D. Stojkovic, Phys. Rev. Lett. 89:151302 (2002) Crne rupe emituju dominantno u “bulk”!
  40. 40. ”Recoil” Efekat V. Frolov, D. Stojkovic, Phys. Rev. Lett. 89:151302 (2002) Cestica emitovana u “bulk” moze da izbaci crnu rupu sa “brane”“Recoil” zbog Hawking-ovog zracenja moze da bude znacajan efekat jermala crna rupa emituje cestice cija je energija reda velice mase crne rupe Posledice: i) Hawking-ovo zracenje se iznenada prekida ii) posmatrac lokalziovan na “brane” registruje prividno narusenje odrzanja energije 43
  41. 41. Frikcija izmedju crne rupe i “brane”V. Frolov, D. Fursaev, D. Stojkovic, CQG, 21:3483 (2004)D. Stojkovic, Phys. Rev. Lett. 94: 011603 (2005)Brzina gubitka uganog momenta crne rupe _ J = ¼¾a r H cos2 ® 2 J a R H cos/2 J 0 finalna stacionarna konfiguracija: J_= 0 J bulk 0 (G cos2 ) 1 44
  42. 42. Uticaj tenzije “brane” na isparavanje crne rupe D. Dai, N. Kaloper, G. Starkman, D. Stojkovic, Phys.Rev.D75:024043,2007 3 3 2 rH 2 rH 1 2 2 2ds (1 3 )dt (1 3 ) dr r {d sin 2 [d 2 sin 2 (d 2 B sin 2 d 2 )]} r r 6D crna rupa na “brane” ko-dimenzije 2 T rs B 1 2 M4 rH B1 / 3 deficitni ugao radijus horizonta • Tenzija “brane” modifikuje standardne rezultate J_= ¼¾a r H cos2 ® • Veca tenzija znaci veci radijus horizonta® = ¼ 2 • Emitovana0energija se smanjuje = J_= 45
  43. 43. Black Max “BlackMax: A black-hole event generator with rotation, recoil, split branes, and brane tension” D. Dai, G. Starkman, D. Stojkovic, C. Issever, E. Rizvi, J. Tseng Phys.Rev.D77:076007,2008• Trenutno najkompletnije orudje za proucavanje efekata kvantne gravitacije• Obezbedjuje realisticne predikcije za proton-proton, proton-antiproton i electron-pozitron kolajdere• Obuhvata sve sto znamo o crnim rupama do danas (ukljucujuci sav moj rad u ovoj oblasti u protekloj deceniji)• Generator je deo je zvanicnog software-a na CERN-u 46
  44. 44. Black Max procedura• Generator zahteva dobro definisani input, npr. dva partona u sudaru, koji se dobija iz poznatih “parton distribution functions” za proton• Verovatnoca za produkciju crne rupe se zatim racuna, zajedno sa osnovnim karakteristikama crne rupe: masa, spin, elektromagnetni i kolor naboj• Black Max zatim racuna karakteristicno Hawking-ovo zracenje• Kao output, Black Max daje cestice Standardnog Modela, sa njihovim distribucijama energije, impulsa i ugaonog momenta 47
  45. 45. Black Max output Distribucija masa proizvedenih crnih rupa kao funkcija razlicitog broja ekstra dimenzija Inicijalna distribucija kolor naboja kreiranih crnih rupaBlackMax: A black-hole event generator with rotation, recoil, split branes, and brane tension.D. Dai, G. Starkman, D. Stojkovic, C. Issever, E. Rizvi, J. TsengPhys.Rev.D77:076007,2008 48
  46. 46. Black Max output Recoil efekat u split fermion modelu • crne linije su tragovi crnih rupa • crveni kruzic je mesto lokalizacije kvarkova • plavi kruzic je mesto lokalizacije leptonaBlackMax: A black-hole event generator with rotation, recoil, split branes, and brane tension.D. Dai, G. Starkman, D. Stojkovic, C. Issever, E. Rizvi, J. TsengPhys.Rev.D77:076007,2008 49
  47. 47. Black Max output 2 1 n N n 0 n! P2 eNBroj cestica emitovanih u “final burst” fazi Distribucija energije emitovanih cestica u(kad masa crne rupe padne na vrednost M* gde L. Randall’s “two-body final state” modelusemiklasicna gravitacija vise ne vazi)BlackMax: A black-hole event generator with rotation, recoil, split branes, and brane tension.D. Dai, G. Starkman, D. Stojkovic, C. Issever, E. Rizvi, J. TsengPhys.Rev.D77:076007,2008 50
  48. 48. ATLAS i CMS na LHC-uSearch for Microscopic Black Hole Signatures at the Large Hadron ColliderThe CMS Collaboratione-Print: arXiv:1012.3375Search for strong gravity signatures in same-sign dimuon final statesThe ATLAS Collaboratione-Print: arXiv:1111.0080 • Najnoviji limit (2012): minimalna masa crnih rupa > 5 TeV 51
  49. 49. Respectfully Quoted: A Dictionary of Quotations. 1989.Dialog between Lord Michael Faraday (1791 - 1867) and the Chancellor of the ExchequerQUOTATION:• Mr. Gladstone, then Chancellor of the Exchequer, had interrupted Lord Faraday in a description of his work on electricity to put the impatient inquiry: “Very well Lord Faraday, but after all, what is the use of it?“ Like a flash of lightning came the response: “Well sir, there is every probability that you will soon be able to tax it!" 52
  50. 50. HVALA

×