Mamy małe czarne dziurki

Czy podczas pierwszego eksperymentu w LHC stworzono czarne mikro dziury? Wygląda na to, że tak!

O 13:06, 30 marca 2010 20 miliardów protonów zderzyło się ze sobą z energią 7 TeV. Jak dotąd w żadnej przez człowieka stworzonej maszynie nie udało się rozpędzić protonów do tak ogromnych prędkości. Pierwszym urządzeniem jest Wielki Zderzacz Hadronów w CERN pod Genewą.

 

Detektory zainstalowane w 27 kilometrowym tunelu zarejestrowały rozbłyski, ślady cząstek powstałych w wyniku setek milionów kolizji na sekundę. Ilość danych jaka powstaje w wyniku eksperymentu co sekundę zapełnią całą płytę DVD (czyli 4.7GB). Do analizy danych wykorzystuje się potężną sieć komputerów. Wyniki zderzeń jonów wodoru analizowane są na całym świecie, przez tysiące naukowców.

Dziwny jest ten świat

Jednak już teraz wiadomo, że naukowcy będą nieraz unosić brwi ze zdziwienia, gdy spojrzą głębiej w rzędy cyfr i wykresów pochodzących z LHC. – To co widzieliśmy w detektorach, to prawdziwe fajerwerki, wybuchy energii, coś zupełnie innego od tego, co obserwowaliśmy do tej pory – powiedziała Fabiola Gianotti rzecznik największej części badawczej pierwszego eksperymentu w LHC. Natomiast rzecznik CERN James Gillies powiedział – zbliżyliśmy się do Wielkiego Wybuchu na jedną miliardową sekundy. Strzelanie protonami będzie się teraz odbywało każdego tygodnia, a każdego dnia mogą dochodzić do nas informacje o niezwykłych odkryciach.

Wydaje się, że fizycy w CERN mają w rękach sensacyjne odkrycie. Wprawdzie część naukowców spodziewała się tego wcześniej, jednak nikt nie sądził, że nastąpi ono tak szybko i na taką skalę. Wśród śladów zderzeń odkryto bowiem tak zwaną czarną mikro dziurę.

LHC Safety Assessment Group (grupa oceniająca bezpieczeństwo LHC) opublikowała raport o rzekomych zagrożeniach wynikających z działania Zderzacza. Według naukowców żaden z eksperymentów, według obecnego stanu wiedzy nie niesie ze sobą zagrożenia zniszczenia Ziemi. Raport odnosi się do kilku ewentualnych zagrożeń takich jak:

Mamy dziurę

Teoretycznie powstanie owej mikro czarnej dziury było przewidziane dawno temu, jednak wszyscy sądzili, że potrzebne są do tego energie, które LHC osiągnie za kilka lat, czyli 14 TeV. Wtedy bowiem będzie można rozpędzić cząstki do prędkości 99.99% prędkości światła. A to pozwoli na „zbliżenie” się cząstek do siebie na odległość mniejszą niż promień  Schwarzschilda. Jest to odległość, po której przekroczenie grawitacja powoduje, że obiekt osiąga taką gęstość, że sam się w sobie zapada tworząc właśnie czarną dziurę.

Wyniki obserwacji w detektorze ATLAS pokazują, że przynajmniej część protonów pokonała promień Schwarzschilda i uformowała czarną mikro dziurę. Jak tłumaczy Cigdem Issever z Departamentu Fizyki Uniwersytetu Oxfordzkiego (obecnie CERN) – najprostsza czarna dziura to obiekt z tak zwaną osobliwością w środku „otoczony” przez horyzont zdarzeń. Jeśli cokolwiek dostanie poza ów horyzont, nawet światło, nie jest w stanie już opuścić czarnej dziury.- tłumaczy fizyk.

Takie właśnie czarne mikro dziury powstały prawdopodobnie podczas pierwszego eksperymentu w LHC.

Parująca dziura

Czarna dziuraźr. CERN

Według teorii Stephena Hawkinga czarne dziury nie są jednak tak zupełnie czarne. Na granicy horyzontu zdarzeń będą „parowały”. Tempo parowania czarnej dziury jest odwrotnie proporcjonalne do masy dziury. Tak więc im mniejsza „dziura” tym szybciej znika. Czarne mikro dziury, jakie powstały w LHC powinny wyparować natychmiast. Przyczyną jest ich niewyobrażalnie wysoka temperatura. W środku naszego Słońca jest około 15 000 000 kelwinów. Aby podać temperaturę mikro dziury trzeba dopisać jeszcze 42 (!) zera.

Jej przewidywany okres życia to jedna oktylionowa (oktylion w krótkiej skali angielskiej to 10 do potęgi 27) część nanosekundy. Mimo to po wyparowaniu mikro dziury detektory powinny zarejestrować ślady nie dające wątpliwości, że mieliśmy do czynienia z czarną dziurą.  Energia jaką zarejestruje detektor ATLAS będzie rzędu TeV, a liczba cząstek będzie bardzo duża. „Podpis” czarnej dziury jest unikatowy i trudny do przeoczenia.

Cząstki dziwnej materii:
Według niektórych teorii dziwna materia, złożona z równych ilości kwarków górnego, dolnego i dziwnego może zmieniać „normalną” materię w dziwną. To zniszczyłoby nasz świat. Poszukiwaniem dziwnej materii od lat zajmuje się Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów (RHIC) i jak dotąd nie natrafił na ślad dziwnej materii. Jej okres życia jest jednak także niezwykle krótki. Nie zdążyłaby ona reagować z naszą materią. Ponadto warunki panujące w LHC zmniejszają szanse na powstanie dziwnej materii w wyniku eksperymentów w zderzaczu.

Rusunek przedstawiający wynik parowania czarnej mikro dziury w detektorze ATLASźr. CERN

Takie ślady zostały zarejestrowane. Co jednak bardzo zadziwiło fizyków to fakt, że nie zgadza się bilans zderzeń. Śladów reakcji jest mniej niż samych reakcji, do których doszło w LHC. Trudno w tej chwili wyjaśnić, dlaczego tak się stało. Przyczyn może być wiele od błędów detektorów, do nowych, nieznanych nam jeszcze zjawisk. Badanie czarnych mikro dziur może przyczynić się do stworzenia kwantowej teorii grawitacji, czyli teorii unifikującej wszystkie oddziaływania – grawitację, działają cą na dużych odległościach i masach oraz oddziaływania jądrowe, działające na małych (atomowych) odległościach i masach. Jak dotąd takiej teorii nie stworzono, choć jest wiele propozycji.  

Zrozumieć dziurę

Bąble próżniowe:
istnieją przypuszczenia, że wszechświat nie jest w swoim najbardziej stabilnym stanie. Zderzenia cząstek w LHC mogą wyzwolić reakcję w wyniku której kosmos zmieni stan na stabilny, zwany właśnie próżniowym bąblem. Nigdzie jednak w kosmosie nie zaobserwowane takiego bąbla mimo że energia cząstek promieniowania kosmicznego jest wielokrotnie większa niż ta uzyskiwana w LHC.

Jeśli rzeczywiście zaszły procesy, których nie znamy, można spodziewać się naprawdę sensacyjnych odkryć, możliwe, że wywracających naszą dotychczasową wiedzę do góry nogami.

Zderzenia protonów w detektorze ATLAS przy energii 7TeVźr. CERN

- Możliwe, że nie wszystkie czarne mikro dziury wyparowały, jak się spodziewaliśmy – mówi Valentin Ceausescu, rumuński fizyk pracujący w CERN. – mikro dziury powstają także naturalnie w ziemskiej atmosferze w wyniku bombardowania promieniowania kosmicznego. Nie reagują one jednak z ziemską materią ponieważ mają neutralny ładunek. – tłumaczy Ceausescu.

Monopole magnetyczne:
hipotetyczne cząstki, które mają tylko jeden biegun magnetyczny. Według niektórych teorii, gdyby takie cząstki rzeczywiście istniały mogły doprowadzić do rozpadu protonów, a więc cząstek, z których zbudowanych jest cały świat, wszystkie atomy. To mogłoby doprowadzić do zniszczenia świata. Jednak te same teorie mówią, że magnetyczne monopole są zbyt ciężkie, by można było wytworzyć je w LHC. A gdyby okazało się, że są lżejsze wówczas promieniowanie kosmiczne tworzyłoby je na co dzień. A nic takiego nie zaobserwowano.

Te które są generowane w LHC powstają w wyniku zderzeń naładowanych dodatnio protonów, i tym samym mają ładunek. A to powoduje, że reagują z otoczeniem. A jeśli tak się dzieje oznacza to, że zamiast od razu wyparować stają się stabilne. Na szczęście są utrzymywane w bardzo silnym polu magnetycznym Zderzacza i nie mogą zacząć pochłaniać cząstek z otaczającej ich materii.

Straszne dziury

Gdyby mogły kontaktować się z otoczeniem wówczas w odpowiednich warunkach mogłyby gwałtownie „rosnąć” wchłaniając znajdującą się na granicy ich horyzontu zdarzeń masę. Wydaje się, jednak, że LHC dysponuje na razie zbyt małymi energiami, by był w stanie wytworzyć odpowiednio dużą, naładowaną i stabilną czarną mikro dziurę, która mogłaby nam zagrozić. Trzeba jednak pamiętać, że za kilka lat energia z jaką będzie zderzał protony LHC wzrośnie dwukrotnie, a cząstki będą rozpędzane do prędkości bardzo bliskich prędkości światła. Warunki, jakie powstaną w wyniku zderzeń będą niemal takie, jak podczas Wielkiego Wybuchu, który zapoczątkował przestrzeń i czas, a zatem nasz świat.

Andrzej Szozda

Film pokazujący ostatni eksperyment w LHC