Projekti / Programi
Iskanje mikroskopskih črnih lukenj s kozmičnimi žarki ekstremnih energij
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.06 |
Naravoslovje |
Fizika |
Eksperimentalna fizika osnovnih delcev |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P210 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika osnovnih delcev, kvantna teorija polja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
kozmični žarki, mikroskopske črne luknje, ekstremne energije, hadronizacija
Raziskovalci (9)
Organizacije (2)
Povzetek
Mikroskopske črne luknje, simulacije atmosferskih plazov in kozmični žarki ekstremnih energij na Observatoriju Pierre Auger
V zadnjih letih se je pozornost strokovne in splošne javnosti pogosto usmerila na prve rezultate eksperimentov na velikem hadronskem trkalniku (LHC), kjer je bila omenjena tudi možnost nastanka mikroskopskih črnih lukenj (MBH) pri interakcijah med protoni s težiščno energijo od 7 do 14 TeV. Podatke o interakcijah pri najvišjih težiščnih energijah (vse tja do 400 TeV) preko meritev lastnosti razsežnih atmosferskih plazov (EAS) sekundarnih delcev, ki jih v zgornjih plasteh atmosfere sprožijo primarni kozmični žarki ekstremnih energij (UHECR) že od leta 2004 zbira tudi Observatorij Pierre Auger (PAO) v Argentini. Za tvorbo MBH so UHECR izredno zanimivi, saj interagirajo z jedri atomov atmosferskih plinov pri vsaj desetkrat višjih težiščnih energijah kot v trkalniku LHC.
Glavni cilj predlaganega projekta je podrobna raziskava možnosti tvorbe MBH pri interakcijah UHECR z uporabo celotnega, skoraj 10 letnega nabora meritev PAO in najnovejših pristopov pri obravnavi procesov tvorbe in evaporacije MBH ter računalniškega modeliranja hadronizacijskih procesov razpadnih produktov. Študija tvorbe in razpadov MBH v atmosferi na podlagi analize podatkov iz PAO lahko bodisi pripelje do potrditve njihovega obstoja pri težiščnih energijah okoli 400 TeV, bodisi do določitve spodnjih mej za maso MBH, kar bo posledično omejilo število možnih dodatnih dimenzij prostor-časa v gravitacijskih teorijah. Predlagane raziskave so logično nadaljevanje in razširitev iskanja nastanka MBH na trkalniku LHC na najvišje v naravi dosegljive energije.
Vsaka teoretična obravnava nastanka MBH temelji na t.i. “obročnem teoremu”, ki pravi, da bodo v vseh teorijah, ki opisujejo gravitacijske interakcije z Einsteinovo splošno teorijo relativnosti, MBH nastajale takrat, ko bo skupna masa znotraj nekega določenega volumna presegla maso črne luknje s horizontom dogodkov, ki bi ta volumen lahko zaobjel. Pri trku dveh osnovnih delcev to pomeni, da mora biti za nastanek MBH vpadni parameter enega delca glede na drugega manjši od Schwarzschildovega radija črne luknje z maso težiščne energije interakcije. Veljavnost obročnega teorema podpira večje število numeričnih analiz nelinearnih enačb splošne teorije relativnosti. Če je fundamentalna energijska skala gravitacijske interakcije reda velikosti TeV, kar napovedujejo teorije z dodatnimi dimenzijami prostor-časa, bi morali trki med osnovnimi delci z majhnimi vpadnimi parametri pri takih (ali višjih) težiščnih energijah zadostiti pogojem obročnega teorema in s tem pri trkih tvoriti tudi MBH.
V okviru projekta načrtujemo preučitev razlike med razvojem atmosferskih plazov (EAS), ki izvirajo iz razpadov črnih lukenj in tistih iz hadronskih interakcij v okviru Standardnega modela, za kar bomo razvili nova simulacijska orodja (oziroma priredili obstoječa orodja za simulacijo hadronizacije v trkalnikih). Naš rezultat bodo kvantitativne napovedi, do kakšne mere lahko tvorba MBH spremeni lastnosti EAS, še posebej kar se tiče končnih, merljivih razpadnih produktov. Veljavnost teoretskih limit, kot so n.pr. presek za produkcijo MBH ali njihova najmanjša možna masa, bomo neposredno preverili preko primerjave z eksperimentalnimi rezultati PAO. Načrtujemo tudi specifične analize atmosferskih plazov, še posebej na podlagi meritev njihovega razvoja v atmosferi s flourescenčnimi detektorji (karakterizacija elektromagnetne komponente EAS) ter mreže talnih detektorjev (študij vsebnosti mionov v plazu), s katerimi bomo lahko postavili meje na možnem številu dodatnih dimenzij prostor-časa, ki bi lahko omogočile tvorbo MBH pri gravitacijskih interakcijah s težiščno energijo reda velikosti TeV. Obravnavali bomo tudi anomalije v meritvah PAO, ki jih ni mogoče pojasniti s Standardnim modelom interakcij med osnovnimi delci, ki zanemarja gravitacijske efekte.
Pomen za razvoj znanosti
Projekt študija nastanka in razpadov mikroskopskih črnih lukenj (MBH) v zemeljski atmosferi pri trkih kozmičnih žarkov z ekstremnimi energijami (nekaj 10-krat višjimi težiščnimi energijami kot bodo dosegljive v LHC) z zemeljskim ozračjem je izjemnega pomena za razvoj osnovne znanosti v svetovnem merilu in sodi v prvo vrsto na fronti fizike. Dejstvo je, da so prav kozmični žarki izvor z najvišjimi energijami v naravi, ki jih z obstoječimi tehnologijami ne bomo mogli doseči v laboratorijskih pogojih. Kljub temu, da je njihova uporaba za študij MBH zahtevnejša kot n.pr. uporaba trkalnikov, so nam podatki, ki bistveno presegajo zmožnosti LHC, na voljo za podrobno analizo in teoretsko interpretacijo. V primeru, da bi lahko potrdili obstoj MBH, bi bilo to odkritje revolucionarno. Iz njega med drugim na primer sledi, da je vesolje, kot ga poznamo, le štiridimenzionalni podprostor razsežnejšega prostora, kjer delujejo vse osnovne interakcije med osnovnimi delci (vključno z gravitacijo), kar bo imelo izjemen pomen na znanost nasploh, še posebej pa na fiziko osnovnih delcev, kozmologijo in astrofiziko. Projekt je bil trdno vpet in integriran v globalna in lokalna raziskovalna prizadevanja, projektni partnerji so namreč bile prestižne raziskovalne skupine iz institucij v ZDA, Braziliji in EU (tudi v Sloveniji). Projektni partnerji iz Nemčije, Francije, Portugalske, Brazilije in Slovenije smo največ prispevali k analizi meritev Observatorija P. Auger, sodelovanje s projektnimi partnerji iz ZDA in Švice pa je doprineslo k teoretski obravnavi problematike.
Pomen za razvoj Slovenije
Neposredni pomen in korist raziskav za slovensko gospodarstvo in družbo je bil v prenosu znanja in state-of-the art tehnologij, razvitih za uporabo na Observatoriju Pierre Auger (PAO) v Argentini v družbeno koristno uporabo v Sloveniji. Kot spin-off osnovnih raziskav na PAO (lidarska karakterizacija atmosfere kot detektorskega medija observatorija, sinhronizacija talnega detektorskega sklopa z GPS signali) je Laboratorij za astrofiziko osnovnih delcev Univerze v Novi Gorici skupaj s Centrom za raziskave atmosfere in Agencijo RS za okolje na Otlici nad Ajdovščino postavil prvi lidarski observatorij v Sloveniji, ki je bil med drugim uporabljen za sledenje Islandskega vulkanskega pepela in daljinske meritve njegovih lastnosti leta 2010. Sami smo razvili tudi Ramanski lidar za daljinske meritve profilov vodne pare ter v sodelovanju s slovensko industrijo (Optotech, Fotona) tudi trikanalni mobilni lidar za sledenje in identifikacijo aerosolov, proučujemo pa tudi vpliv ionosferskih motenj na GPS sprejemnike in možnost njihove odprave, kar bo imelo velik pomen v času povečane sončeve aktivnosti v letih 2012-2013. Vse razvite naprave že dajejo ne le znanstvene ampak tudi širše družbeno koristne rezultate. V okviru projekta smo te dejavnosti še razširili in intenzivirali, tako da bo na njihovi podlagi Slovenija (raziskovalno in gospodarsko) lahko prispevala k izgradnji novega observatorija Cherenkov Telescope Array (CTA). Posredni pomen projekta za družbo je bilo aktivno in enakopravno sodelovanje slovenskih znanstvenikov in študentov v vrhunskih svetovnih znanstvenih in tehnoloških raziskavah. Mednarodni uspeh predlaganega in podobnih projektov pomeni hkrati tudi priznavanje Slovenije kot visokotehnološke in napredne države, kar nadalje stimulira naše globalne ekonomske in finančne povezave. Projekt je omogočil prenos vrhunskega znanja v Slovenijo, še posebej pa boljše razumevanje osnovnih interakcij v naravi, vključno z gravitacijo, katere delovanje zaenkrat najmanj razumemo. Rezultati projekta so družbeno koristni na več nivojih, med njimi tudi na kulturnem in tehničnem nivoju, saj globlje razumevanje določenih pojavov vedno privede do razvoja novih orodij, ki v splošnem smislu služijo celotni družbi in civilizaciji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
