Vortragsfolien

Die höchsten Energien im Universum –
Schwarze Löcher als Superbeschleuniger
Ralph Engel, Karlsruhe Institut für Technologie
!
!
When charged, the arms repel each other
Entdeckung
der
Kosmischen
Strahlung
When irradiated (by
energetic
rays), the air
gets ionised
and the charges are evacuated
!
The more intense the radiation, the faster the discharge
Karlsruhe, 23-25 Feb. 2005
— Cosmic-rays & Particle Acceleration —
E. Parizot (IPN Orsay)
Entladung von Elektroskopen auch in trockener Luft (Wilson, 1901)
Vermutung: Ursache ist natürliche Radioaktivität im Erdmantel (Rutherford)
Eiffelturm-Versuch von Theodor Wulff
!"#$%$&'()*+'),%'%#&'-.++#*/)&0
~300m
1 23245'!"#$%$&'()*+'&#6.7/&.#&/
0./'7#.,#0'8/&9"*#,9::9&9/'9)+
%#0'-.++#*/)&0'#.,#'";"#&#
8/&9"*),6'9*7'90'<$%#,
1910
Ballonaufstiege von Viktor Hess
Ionisationsrate
(April - August 1912)
Höhenstrahlung
Natürliche
Radioaktivität
Höhe in km
Nobelpreis 1936
Heutiges Bild der
Kosmischen
Strahlung
~ 30 - 40 km
Zusammensetzung
85% H-Kerne (Protonen)
12% He-Kerne
1% schwerere Kerne
2% Elektronen und
Positronen
0.01 - 0.001% Antiprotonen
Häufigkeit (Fluss) der
Kosmischen Strahlung
0.1 Teilchen / m2 Min.
10 Teilchen / km2 Min.
10 Teilchen / km2 Tag
LHC Strahlenergie
10 Teilchen / km2 Jahrhundert
Energieskalen und -einheiten
Elektrische Spannung beschleunigt Elektronen
E [eV] = Ladung [e] × Spannung [V]
1 eV = 0,000 000 000 000 000 000 16 Joule
(1 W × 1s = 1 Joule)
Alter Röhrenfernseher erzielt
30 000 eV = 30 keV = 3 × 104 eV
Large Hadron Collider/CERN:
4 000 000 000 000 eV = 4 × 1012 eV
Langzeit-Ballonmessungen
Flughöhe 30-35 km
70 m
140 m (max)
260 m
175 m
170 m
Detektoren an
Ballonen (< 3 Tonnen)
Das Alpha-Magnet-Spectrometer auf der
Internationalen
Raumstation
ISS
seit
Mai,
2011
Science on the ISS
AMS
Prof. W. de Boer, KIT
January 5, 2007
Physik am Samstag, 29.06.2012
46
46
S.C.C. Ting
Häufigkeit (Fluss) der
Kosmischen Strahlung
0.1 Teilchen / m2 Min.
10 Teilchen / km2 Min.
10 Teilchen / km2 Tag
LHC Strahlenergie
10 Teilchen / km2 Jahrhundert
Paul Ehrenfest
Pierre Auger
Ausgedehnte Luftschauer
(1938)
Computersimulation eines Luftschauers
E = m c2
Teilchen erreichen
Erdboden fast zur
gleichen Zeit
KASCADE und KASCADE-Grande
(KArlsruhe Shower Core and Array DEtector)
Fläche ~ 0.04 km2,
252 Teilchendetektoren
Häufigkeit (Fluss) der
Kosmischen Strahlung
0.1 Teilchen / m2 Min.
10 Teilchen / km2 Min.
10 Teilchen / km2 Tag
LHC Strahlenergie
10 Teilchen / km2 Jahrhundert
Large Hadron Collider (LHC)
9300 Magnete
Magnetfeldstärke 8T (max)
Umfang: 27km
Genf
LHC Dipol - Magnete (1232)
2-in-1 Design
Zwei gegenläufige Protonenstrahlen
im gleichen Magnet
Betriebstemperatur
Superfluides Helium: 1.9 K
Max. Magnetfeld
8.33 T
Vakuum
10-13 atm
(6500 m3)
Länge: 14.3 m
Gewicht:
35 t
Spulen: Nb-Ti
40,000 vakuum-dichte Verbindungen
96 t Helium
8 Kühlaggregate (18 kW)
2 Wochen Abkühlzeit (36,800 t)
Die höchsten Energien: 1020 eV
Beschleuniger mit Größe der Merkur-Umlaufbahn
Beschleunigungszeit für LHC: 815 Jahre
Gibt es kosmische Superbeschleuniger ?
Ca. 450 Wissenschaftler aus 18 Ländern
19
Das Pierre-Auger-Observatorium
Auger-Observatorium in
Argentinien, Provinz Mendoza
1600 Teilchendetektoren,
Fläche von 3,000 km2
24 Fluoreszenzteleskope
Ein Luftschauerdetektor für die höchsten Energien
Einzelnes Fluoreszenzteleskop
Kamera mit 440 Pixeln, aber 10
Millionen Bilder/Sekunde
Apertur, UVdurchlässiger
Filter und
Korrekturlinse
3.4 Meter
segmentierter
Spiegel
17
Beispiel für einen beobachteten Schauer
INSTITUT FÜR KERNPHYSIK (IKP)
Run 657 Event 9028, E = 6 x 1019 eV
Existenz von Schauern mit extrem hohen Energien bestätigt
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
60 km
www.kit.edu
Was sind die kosmische Superbeschleuniger
im Universum ?
Schwarze Löcher: klassische Betrachtung
Geschichte :
Sir Isaac Newton (1642-1727)
Gravitationsgesetz
Isaac Newton (1642 - 1727)
mM
F = G 2
r
Fluchtgeschwindigkeit :
Fluchtgeschwindigkeit
mM
m 2
G
= v
v=
r
2 Sonne : 617 km/s
Erde : 11,2 km/s
Lichtgeschwindigkeit :
r
2GM
r
c = 300 000 km/s
John
Michell
- 1793)
Vorhersage
von(1724
John Michell
(1724 - 1793)
Englischer Universalgelehrter
1784 : „Wenn der Halbmesser einer Kugel mit derselben Dichte wie
die Sonne den der Sonne im Verhältnis fünfhundert zu eins
überträfe und Licht von derselben Kraft proportional zu seiner
trägen Masse angezogen würde, so würde alles Licht,das von
einem solchen Körper ausgesandt wird, durch seine eigene
Schwerkraft gezwungen werden, zu ihm zurückzukehren“
Schwarzschild radius (1916)
Sonne:
Erde:
RS ⇠ 3 km
RS ⇠ 1 cm
27 000 Lichtjahre
Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße
Krümmung der Lichtwege durch Schwarze Löcher
$"#$+,7&8&9"$
Nachweis des
/&*#1$+$)*#2#3,&2(,!$:8$+3$()*."#4"3;$"',
Schwarzen,,4$+,5'$+#$,<=>?@+A
Lochs in der Milchstraße
B2(,C%8&2DE$"',2#4,3+0F$+,G&81&)*($,$+3"1'
,,(")*,4"$,6$#'+&8%&(($,<HI!$:8$+J7$($'EA
!
Stern S2: min. Entfernung 17 Lichtstunden
!
MBH ⇡ 4 000 000 MSun
Röntgenstrahlung vom Schwarzen Loch
Animation: NASA/Chandra
Super-schwere Schwarze Löcher
Akkretionsscheiben und Plasmastrahlen
Zentrum einer
aktiven Galaxie
mit super-schwerem
Schwarzen Loch
Teilchenbeschleunigung durch Reflektion
Reflektion an Magnetfeldern: stochastische Beschleunigung
(Enrico Fermi, 1946)
Unbekannt, wo
Beschleunigung erfolgt:
•
•
•
Akkretionsscheibe
Plasmastrahlen
Plasmablasen
Radio galaxies
D ~ 96 106 Lichtjahre
MBH ~ 5 x 108 Msolar
Möglichkeiten des Nachweises
Ablenkung durch Magnetfelder gering by 1020 eV
Extragalaktische
Magnetfelder
1018 eV
3x1018 eV
1019 eV
1020 eV
Milchstraße E4%;!4731%<6$%642'!"!7$%F!4438#.G
Figure 7: Projected view of 20 trajectories of proton primaries emanating fro
point source for several energies. Trajectories are plotted until they reach a phy
distance from the source of 40Mpc. See text for details.
scaled for other magnetic conditions. For example, if the magnetic field were
nanogauss, propagation at 100 EeV would
#% be completely diffusive, as shown in
" 7. Propagation
$ "%#$at ()
upper left panel of!Figure
1000 EeV however would be quite dis
"#!
from the lower left panel
energy loss
* by
& +the GZK effect would be significant.
! $#as %&'
than 1% of the particles would escape interaction with the CMB and propa
rectilinearly. The remainder would quickly pass to diffusive propagation, drop b
100 EeV, and travel much more slowly from the source. For iron primaries, the p
+!"#$%&!'%()*%!%+, %./%0.&#.123!"4%3"%56#61231%765".231%&3.#04%8.1!7.%
on the upper right of Figure 7 would correspond to 80 EeV. This regime is not
Unterdrückung der höchsten Energien
Greisen, Zatsepin, Kuzmin (1966):
GZK-Effekt
Wechselwirkung mit Photonen
des Mirkowellenhintergrunds
(~400 cm-3)
pro Wechselwirkung
geht 20% der Energie verloren
www.atlasoftheuniverse.com
Verteilung von Galaxien
E > 1019 eV
www.atlasoftheuniverse.com
Verteilung von Galaxien
E > 1020 eV
Ankunftsrichtungsverteilung: Aktive Galaktische Kerne
Galaktische Ebene
Supergalaktische Ebene
(Auger-Collab.
Nature, 2007)
+60
+30
Virgo A
60
120
240
180
300
-30
Centaurus A
Fornax A
-60
korrelierte Ereignisse (20)
(Isotropie: 6 Ereignisse)
unkorrelierte Ereignisse (7)
Stand Juni 2011:
28 von 84 Ereignissen
korreliert (17.6 erwartet)
Dichteste Aktive Galaxie: Centaurus A
Entfernung: 12 Millionen Lichtjahre
Mondgröße zum Vergleich
Teilchenwechselwirkungen in der Nähe von Schwarzen Löchern
Zusammenfassung
•
Kosmische Beschleuniger erreichen Energien ~100 Millionen mal höher
als die Strahlen des LHC
•
Teilchen der höchsten Energien sehr selten, Existenz aber
wissenschaftlich nachgewiesen
•
Schwarze Löcher sind ein etabliertes Phänomen der Gravitation
•
Super-schwere Schwarze Löcher und damit verbundene Erscheinungen
sind theoretisch Orte der Teilchenbeschleunigung
•
Experimenteller Nachweis noch nicht erbracht, aber erste Hinweise
gefunden, die diese Annahme bestätigen
•
Konkreter Beschleunigungsmechanismus und -ort noch unbekannt
Gab es Plasmastrahlen in der Milchstraße ?
Entdeckung von riesigen Elektron-Plasmablasen durch Fermi-Satelliten (Nov. 2010)
Was sind die Quellen der Teilchen der höchsten Energien ?
Magnetfeld
(Michael Hillas,1984)
B
GRB ?
Neutron stars
Teilchen auf
Kreisbahn
RL
%max ~ BSqZq"q,
BS=1
BS=1/300
10 6
Active Galactic Nuclei
LHC
White
dwarfs
20
10
eV
Pr
1
on
ot
Cas A (Chandra Röntgensatellit)
Magnetic field [Gauss]
1012
Interplanetary
space
10 –6
1km
SNR
Galactic
10 6 km 1AE
Disk
Halo
Radio
galaxy
jets
Galactic
cluster
1pc 1kpc 1Mpc
Size
IGM
Wo beginnt der Plasmastrahl ?
Abschätzung für
Entfernung folgt aus
Zeitunterschied zwischen
beobachteten Lichtblitz
und dessen Reflektion
NGC 4151
Beobachtung von Röntgenstrahlen
mit XMM Newton Satellit
)2C=71
Schwarze Mini-Löcher
URL: http://www.tagesspiegel.de/meinung/kommentare/LHC-Physik;art141,2611220
Was WISSEN schafft
Beten wir, dass Hawking recht hat
!
!
Unweit des Genfer Sees wird heute die größte und komplizierteste Maschine angeworfen, die der Mensch
je gebaut hat. Im Ringtunnel des Teilchenbeschleunigers LHC werden ähnliche Zustände erzeugt wie
beim Urknall. Wissen die Physiker, was sie da tun?
Von Alexander S. Kekulé
08. September 2008, 12:54 Uhr
Streit um Superbeschleuniger LHC
Todesdrohungen gegen Nobelpreisträger
31. März 2008, 15:38 Uhr
Der bevorstehende Start des Teilchenbeschleunigers LHC alarmiert Kritiker - und
provoziert radikale Weltuntergangspropheten. Per Telefon und E-Mail hat der
US-Nobelpreisträger Frank Wilczek jetzt sogar Todesdrohungen erhalten.
Schwarze Löcher in Genf
Angst vor Weltuntergang - Amerikaner klagt gegen
Teilchenbeschleuniger
Von Felix Knoke
Walter Wagner hat Angst. Er fürchtet, dass Schwarze Löcher entstehen könnten, wenn
im Herbst der Teilchenbeschleuniger LHC in Genf die Arbeit aufnimmt - und dass dies
das Ende der Welt bedeutet. Das will der Amerikaner gerichtlich verhindern.
Das Leben eines Schwarzen Minilochs (i)
0s
Entstehung durch QuarkKollision, stark angeregter
Zustand
Spektrum der Wissenschaft, 09/2005
0 - 10-27 s
1 - 3 x 10-27 s
Emission von Gravitationswellen, Photonen und
geladenen Teilchen: Loch
durch Masse, Drehimpuls und
Ladung charakterisiert,
Ladung verschwindet schnell
Abbau des Drehimpulses
durch Strahlung
Das Leben eines Schwarzen Minilochs (ii)
3 - 20 x
10-27
s
Nur noch Masse als
Eigenschaft des Lochs,
Masseverlust durch
Hawking-Strahlung
Spektrum der Wissenschaft, 09/2005
20 - 22 x 10-27 s
Erreichen der PlanckMasse, Zerfall des Lochs
Nachweis im Detektor
Sekundärteilchen:
• fast gleiche Energie
• 72% Quarks und Gluonen
• 11% Leptonen
• 8% W-, Z-Bosonen
• 6% Gavitonen und Neutrinos
Hawking-Strahlung
Teilchenerzeugung
durch Fluktuationen
Kosmische Strahlung und Erzeugung von Schwarzen Löchern
Kosmische Strahlung: Beweis der Ungefährlichkeit
public.web.cern.ch/public/en/LHC/Safety-en.html
Selected for a Viewpoint in Physics
PHYSICAL REVIEW D 78, 035009 (2008)
Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes
Steven B. Giddings1,* and Michelangelo L. Mangano2,+
1
We analyze macroscopic effects of TeV-scale black holes, such as could possibly be produced at the
LHC, in what is regarded as an extremely hypothetical scenario in which they are stable and, if trapped
V6: mini
black
holesbegin
am LHC
?
inside
Earth,
to accrete
matter. We27examine a wide variety of TeV-scale gravity scenarios, basing the
resulting accretion models on first-principles, basic, and well-tested physical laws. These scenarios fall
into two classes, depending on whether accretion could have any macroscopic effect on the Earth at times
http://magazine.web.de/de/themen/unterhaltung/comic/perscheid/2701984,page=11.html
ebundenen Beschleunigern
TUM SS09
S.Bethke, F. Simon
Department of Physics, University of California, Santa Barbara, California 93106, USA
2
PH-TH, CERN, Geneva, Switzerland
(Received 2 June 2008; published 18 August 2008)
Schwarze Löcher und ihre Umgebung
Hawking-Strahlung
TH =
h̄c3
8pkB GMBH
✓
1TeV
⇡ 8 ⇥ 10 K
MBH
29
◆SABINE HOSSENFELDER
initial mass of the black hole under investigation. By integration over t we
me Zerfallsdauer
!
"3
2
M0
3G
3
59
! ≈ 15"8 4 M0 ≈ 10
Gyr ,
(19)
c h̄
M"
mass M is reduced to 0.
Gamma-Strahlen-Blitze (Gamma-Ray Bursts)
If this is the case, we can only observe a small fraction of all Gamm
that occur: those where one of the jets is pointed more-or-less in o
The figure below shows a numerical simulation of a collapsar jet,
moment it breaks out of surface of the progenitor star.
Figure 2.1: An illustration of the two scenarios leading to a Gamma Ray Burst: the merger
scenario (left/top) where two neutron stars in a compact binary merge as a rsult of a spiral-in of
the two stars due to the emission of gravitational waves. The hypernova scenario
(left/bottom)
Figure 2.2: A numerical simulation
where the core of a very massive star collapses and the star explodes incompletely,
that
a scenario
massive starso
in the
collapsar
of a jet propagating out from the colla
Colliding galaxies
D ~ 20 Mpc
0
20
altitude (km)
atmospheric depth (g/cm2)
Ausgedehnte Luftschauer
200
electrons
10
400
7
muons (x 10)
5
600
hadrons
(x 10)
3
800
1
1000
0
10000
20000
30000
40000
50000
0
60000
particle number
Zerfall von neutralen Pionen in zwei Photonen: em. Schauer
Zerfall von geladenen Pionen zu Myonen und Neutrinos