Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é um Buraco Negro?(em experimentos de Física de Altas Energias)
Vitor Oguri
Departamento de Física Nuclear e Altas Energias (DFNAE)Instituto de Física Armando Dias Tavares (IFADT)Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
LISHEP 2009INTERNATIONAL SCHOOL ON HIGH ENERGY PHYSICS
SESSION ARio de Janeiro - Brasil12 de janeiro de 2009
V. Oguri – LISHEP 2009 1/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
Dentre todos os objetos e conceitos estranhos da Física, talvezo mais estranho seja o Buraco Negro.
Como se chegou a tal conceito?
Qual a sua relação com a Física de Partículas?
V. Oguri – LISHEP 2009 2/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
Sumário
1 Física de Altas Energias
2 Física de Partículas, Relatividade e Física Quântica
3 Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e Cosmologia
4 Conclusões: expectativas e dúvidas
V. Oguri – LISHEP 2009 3/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Física de Altas Energias
V. Oguri – LISHEP 2009 4/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Física de Altas Energias
estudo das interações entre as partículaselementares
experimentos em grandes complexos deaceleradores de partículas
grandes colaborações internacionais
V. Oguri – LISHEP 2009 5/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
As grandes colaborações no CERN
http://public.web.cern.ch/public/en/LHCV. Oguri – LISHEP 2009 6/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
CERN (1954)• Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire• European Organization for Nuclear Research (oficial)• European Laboratory for Particle Physics
• 2 bilhões de dólares anuais• 10 mil físicos• 10 mil técnicos e engenheiros
Primeiro “site” (1990)http://info.cern.ch/hypertext/WWW/TheProject.html
V. Oguri – LISHEP 2009 7/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Energia
energia
{movimento – cinética (velocidade → momentum – p=mv)
interação – potencial (distância)
1 eV (elétron-volt)→ energia adquirida por um elétron ao ser acelerado por um 1 V10 J = 1020 eV→ energia potencial de um corpo de 1 kg a uma altura de 1 m
tipos de energiaenergia eletromagnética
energia gravitacional
energia nuclear
energia térmica
energia de ligação{Eátomo ' 10 eVEnúcleo ' 1 MeV
V. Oguri – LISHEP 2009 8/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Energia
energia
{movimento – cinética (velocidade → momentum – p=mv)
interação – potencial (distância)
1 eV (elétron-volt)→ energia adquirida por um elétron ao ser acelerado por um 1 V10 J = 1020 eV→ energia potencial de um corpo de 1 kg a uma altura de 1 m
tipos de energiaenergia eletromagnética
energia gravitacional
energia nuclear
energia térmica
energia de ligação{Eátomo ' 10 eVEnúcleo ' 1 MeV
V. Oguri – LISHEP 2009 8/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Energia de repouso – Einstein (1905)
energia de repouso(E◦ = mc2)
E◦(próton) ' 1 GeVE◦(Higgs) ' 200 GeVE◦(pessoa) ' 1029 GeVE◦(Terra) ' 1051 GeVE◦(Sol) ' 1057 GeV
c → velocidade da luz (300.000 km/s)
energia cinética
energia de repouso=
Ec
E◦'
10−15 (corredor)10−12 (avião)10−9 (foguete)104 (LHC)
estabelece um limiar para a criação de partículasV. Oguri – LISHEP 2009 9/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Energia de repouso – Einstein (1905)
energia de repouso(E◦ = mc2)
E◦(próton) ' 1 GeVE◦(Higgs) ' 200 GeVE◦(pessoa) ' 1029 GeVE◦(Terra) ' 1051 GeVE◦(Sol) ' 1057 GeV
c → velocidade da luz (300.000 km/s)
energia cinética
energia de repouso=
Ec
E◦'
10−15 (corredor)10−12 (avião)10−9 (foguete)104 (LHC)
estabelece um limiar para a criação de partículasV. Oguri – LISHEP 2009 9/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Colisões de partículas
colisões em altas energiasconcentração de energia
=⇒
{processos rarosnovas partículas
V. Oguri – LISHEP 2009 10/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Aceleradores de partículas
“microscópios” para sondar o microcosmo
partículas aceleradas por campos eletromagnéticos
colisões em altas energias
concentração de energia em pequenas regiões
criação de novas partículas
V. Oguri – LISHEP 2009 11/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
LHC (Large Hadron Collider)
O mais potente acelerador de partículas jamais construído,capaz de acelerar prótons a energias de 7 TeV.
• 27 km de perímetro• 600 milhões de colisões por segundo
V. Oguri – LISHEP 2009 12/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Detectores de partículas
identificar partículas secundárias produzidas nas colisõesdeterminar suas trajetórias, massas, momentum e energia
V. Oguri – LISHEP 2009 13/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
CMS (Compact Muon Solenoid)
bóson de Higgs, dimensões extras e matéria escura
21x15x15 (m)12.500 toneladas2000 físicos155 instituições37 países
V. Oguri – LISHEP 2009 14/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Instalação do detector de rastreamento de silício
V. Oguri – LISHEP 2009 15/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Participação brasileira no CMS
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF)Moacyr Gomes e Souza, Gilvan Alves, Maria Elena PolUniversidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)Alberto Santoro, Vitor Oguri, Andre Sznajder, Luiz Mundim,Wanda Prado da Silva, Carley de Oliveira Martins, José RobertoMahon, Marcia Begalli, Wagner de Carvalho, Helio Nogima,Eduardo Revoredo, Patricia Bittencourt, Jose Afonso Sanches,Dilson de Jesus Damião, Sandro de Souza, Jordan Martins, AnaThereza, Diego Figueiredo, Marco Pacheco, Sheila do Amaral,Elisa Melo da Costa, Luana Soares, Felipe Torres de AraujoUniversidade Estadual Paulista (UNESP)Sergio Novaes, Marco Dias, Pedro Mercadante, Sérgio LiettiUniversidade Federal do ABC (UFABC)Eduardo de Moraes Gregores
V. Oguri – LISHEP 2009 16/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O que é a Física de Altas EnergiasPor que os aceleradores de partículas?O que é o LHC?O que é um sistema de detecção?
Participação da UERJ no CMS
http://www.hepgrid.uerj.br/
150 milhões de sensores→ (filtro) 100 colisões/s700 Mbytes/s→ 15 milhões de Gbytes (15 Pbytes/ano)
V. Oguri – LISHEP 2009 17/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
Física de Partículas
Relatividade
Física Quântica
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Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
O átomo filosófico
ruptura com os mitos: 600 a.C. – 350 a.C.
ordem (cosmos)razão (logo)physis
pré-socráticos=⇒
constituintesfundamentaisda natureza
reducionismo grego
Tales (água)Anaxímenes (ar)Xenófanes (terra)Heráclito (fogo)
Empédocles(interações)
=⇒
{DemócritoLeucipo
(átomos evazio)
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
A ciência moderna
Fim da idade média =⇒ ruptura com a cosmovisão religiosa
determinismo mecanicistaGalileu (1564-1642) – Matemática e experimentosDescartes (1569-1650) – mecanicismo não empíricoBoyle (1627-1691) – vácuo e gases molecularesNewton (1643-1727) – Gravitação e Mecânica
O átomo químicoLavoisier(1789)
Dalton (1808)=⇒
tabelaperiódica
(Mendeleiev – 1869)
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
O século XIXapogeu e declínio dos modelos clássicos mecânicosTeoria Cinética dos Gases(Maxwell-Boltzmann – 1859-1879)
Eletromagnetismo(Maxwell – 1864)
argumentosestatísticos
interaçãoeletromagnética
partículas carga elétrica e massa
força campo(interação) (eletromagnético e gravitacional)
elétron ondas eletromagnéticas
V. Oguri – LISHEP 2009 21/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
O século XX
Os novos pilares e conceitos da Físicateorias relativísticas (determinísticas)
(Einstein – 1905 e 1915)
teorias quânticas (probabilísticas)
(Heisenberg, Dirac – 1925 e 1932)
espaço-tempo
gravitação
princípio da incerteza
antipartículas
princípios
de simetria⇒ interações
fundamentais
gravitacional – Relatividade Geral
eletro-fraca
forte – Cromodinâmica Quântica (QCD)
V. Oguri – LISHEP 2009 22/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
Princípio da incertezapara uma partícula confinada em uma região de dimensãod , as incertezas associadas à posição e ao momentum (p)são tais que
d p ∼ ~
probabilidade de uma partícula ultrapassar barreiras deenergia potencial
~→ constante de Planck (10−34 J.s) (quântica)c → velocidade da luz (300.000 km/s) (relatividade)
V. Oguri – LISHEP 2009 23/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
O atomismo contemporâneo
q,l
q,l
i,Z,g±,Wγ
q,l
q,l
V. Oguri – LISHEP 2009 24/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
O átomo filosóficoA ciência modernaO século XIXO século XXO atomismo contemporâneo
“Se, em algum cataclismo, todo o conhecimento científico fossedestruído e somente uma sentença fosse transmitida para aspróximas gerações de criaturas, que enunciado conteria maisinformação em menos palavras? Acredito que seja a hipóteseatômica (...) de que todas as coisas são feitas de átomos (...).
Richard Feynman
V. Oguri – LISHEP 2009 25/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Física de Partículas
Astrofísica NuclearCosmologia
V. Oguri – LISHEP 2009 26/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Física de Partículaspropriedades das partículas elementares
Astrofísica Nuclearpropriedades das estrelas e das galáxias
Cosmologiaestrutura e evolução do Universo
V. Oguri – LISHEP 2009 27/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Estrelas
gigantescas fornalhas onde núcleos leves se fundem edão origem a núcleos pesados, liberando enormesquantidades de energia que contrabalançam a atraçãogravitacional
ao término do combustível nuclear ocorre o colapso daestrela
V. Oguri – LISHEP 2009 28/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Cosmologia clássica
leis da Física precedem o Universo e regulam a complexidade dos fenômenos
forças gravitacionais são os elementos organizadores do Cosmos
procura de fósseis cósmicos
V. Oguri – LISHEP 2009 29/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Alguns fatos e hipóteses sobre o Universo
homogeneidade em larga escala (300 milhões de anos-luz)
afastamento das galáxias (lei de Hubble)
radiação cósmica de fundo à temperatura de 2,7 K
formação de núcleos compostos a partir de uma fornalhaprimordial (14 bilhões de anos)
96% de matéria e energia desconhecida
V. Oguri – LISHEP 2009 30/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
O big bang{expansão do Universoradiação cósmica
⇓início a partir de um meio infinitamente denso e quente
V. Oguri – LISHEP 2009 31/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Buracos negros
região do Universo na qual a atração gravitacional é tãointensa que nada consegue escapar de seu interior
V. Oguri – LISHEP 2009 32/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Estrelas escuras
velocidade de escape (1784)
(energia cinética) (energia potencial)
12 mv2 = G mM
r (gravitacional)
=⇒ v≥√
2GMr (11 km/s - Terra)
G→ constante da gravitação (10−10 m3 kg−1 s−2)
~→ constante de Planck (10−34 J.s)
c → velocidade da luz (300.000 km/s)
raio de Schwarzschild (horizonte de um buraco negro)
r◦= 2GMc2 '10−27M (kg) =⇒
3 km (Sol)
1 cm (Terra)
V. Oguri – LISHEP 2009 33/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Buracos negros primordiais
Pequenos buracos negros podem ter sido formados pelocolapso de regiões extremamentes comprimidas no meioquente e denso logo após o big bang.
buracos negros primordiais
M ' 100 milhões de toneladas M ' 1 bilhão de toneladas
⇓ ⇓r◦ ' 10−14 cm r◦ ' 10−13 cm (raio do próton)
V. Oguri – LISHEP 2009 34/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
radiação de Hawking (1974)
Radiação térmica emitida por corpos negros devido a efeitosquânticos.
Buracos negros não são tão negrosentropia
incerteza
=⇒(temperatura)
T = ~c3
8πkGM '1023
M
k → constante de Boltzmann (10−23 J/K) (termodinâmica)G→ constante de Newton (10−10 m3 kg−1 s−2) (gravitação)~→ constante de Planck (10−34 J.s) (quântica)c → velocidade da luz (300.000 km/s) (relatividade)
V. Oguri – LISHEP 2009 35/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Micro-buracos negros a partir de colisões
(energia potencial) (energia cinética)
G m2
r > pc
r p ∼ ~ (incerteza)
ε ∼ M︸︷︷︸αm
c2 (energia)=⇒
ε > α
√~c5G ' (M
m ) 1019 GeV
r ∼ ~ε' 10−35 cm (α=102)
V. Oguri – LISHEP 2009 36/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Sob condições normais a produção de buracos negros porcolisões requer uma concentração de energia não alcançadapor nenhum acelerador.
dimensões extras
Gm2
r→ G2
m2
r2+1 > pc =⇒ ε >
(~3c7
G2
)1/4
G2 ∼ 10−16 Gev−4 =⇒
ε ∼ 10 TeV
M ∼ 100 GeV
r ∼ 1ε ' 10−18 cm
V. Oguri – LISHEP 2009 37/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Sob condições normais a produção de buracos negros porcolisões requer uma concentração de energia não alcançadapor nenhum acelerador.
dimensões extras
Gm2
r→ G2
m2
r2+1 > pc =⇒ ε >
(~3c7
G2
)1/4
G2 ∼ 10−16 Gev−4 =⇒
ε ∼ 10 TeV
M ∼ 100 GeV
r ∼ 1ε ' 10−18 cm
V. Oguri – LISHEP 2009 37/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Estimativas de produção de buracos negros no LHC
N = σL (número de partículas)
σ ' πr2 (probabilidade de produção)
L (luminosidade integrada do feixe)
r ∼ 10−18 cm =⇒ σ ∼ 10−36 cm2 (1 pb)
Lano (cm−2) N (buracos/ano) N (buracos/dia)
1039 103 3
1040 104 30
1041 105 300
V. Oguri – LISHEP 2009 38/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
EstrelasO big bangBuracos negrosMicro-buracos negros
Estimativas de produção de buracos negros no LHC
N = σL (número de partículas)
σ ' πr2 (probabilidade de produção)
L (luminosidade integrada do feixe)
r ∼ 10−18 cm =⇒ σ ∼ 10−36 cm2 (1 pb)
Lano (cm−2) N (buracos/ano) N (buracos/dia)
1039 103 3
1040 104 30
1041 105 300
V. Oguri – LISHEP 2009 38/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
Conclusões: expectativas e dúvidas
micro-buracos negros são negros?
micro-buracos negros poderão ser produzidos no LHC?
micro-buracos negros não são perigosos (E = 10−8 J)
buracos negros primordiais criarão um novo Universo?(E = 1026 J ' 10 bilhões de megatons)
– 10 J (energia cinética de um corpo de um 1 kg ao cair de uma altura de 1 m)– 1 megaton ∼ 1016 J (equivalente à explosão de 1 milhão de toneladas de dinamite)– 50 megatons (mais potente bomba de hidrogênio detonada)– 0,01 megatons ∼ 10000 toneladas de dinamite (bomba de Hiroshima)
V. Oguri – LISHEP 2009 39/61 O que é um Buraco Negro?
Física de Altas EnergiasFísica de Partículas, Relatividade e Física Quântica
Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
Compatibilidade entre teorias quânticas e gravitação?
cenário inimaginável – não previsto pelo modelo padrão oupelos modelos cosmológicos
V. Oguri – LISHEP 2009 40/61 O que é um Buraco Negro?
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Física de Partículas, Astrofísica Nuclear e CosmologiaConclusões: expectativas e dúvidas
Leitura complementar
F. Caruso, V. Oguri & A. SantoroPartículas elementares: 100 anos de descobertasEDUA (2005)
M. C. B. AbdallaO discreto charme das partículas elementaresUNESP (2004)
S. HawkingBuracos negros, Universos-bebês e outros ensaiosRocco (2000)
LHC the guidehttp://cdsweb.cern.ch/record/1092437/files/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf
V. Oguri – LISHEP 2009 41/61 O que é um Buraco Negro?
Material adicional
EstimativasBibliografiaCaracterísticas do LHCFotos do CMSMaterial sobre o LHC
M (kg) S=10−7M2 (J/K) T= 1023M (K) P= 1033
M2 (W) τ=10−16M3
1030 1053 10−6 10−27 1066 anos
1011 1015 1012 109 1010 anos
105 103 1018 1023 10−1 s
10−25 10−57 1048 1083 10−91 s
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Radiação de Hawking
partícula em um poço de potencial – 2r◦ (largura do poço)p×2r◦ ∼ ~
2
p = Ec '
kTc
r◦ = 2GMc2
=⇒ T ' ~c4kr◦ = ~c3
8kGM
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Entropia e temperatura de um buraco negro
entropia de BekensteinA = 4πr2
◦ = 8π G2M2
c4 (área do horizonte de um buraco negro)
S = f (A) =(
kc32~G
)A
⇓
S = 4π kGM2~c ' 10−7M2 (J/K)
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temperatura de Hawking( ∂S∂E ) = 1
T =⇒ T = c2(∂S/∂M
)∂S∂M = 8π kGM
~c
⇓
T = ~c38πkGM '
1023M (K)
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Tempo de vida de um buraco negro
− dEdt = − d(Mc2)
dt = AσT 4
A = 4πr2◦ = 4π G2
c4 M2
T = ~c38πkGM
=⇒ −
∫ 0
M◦
M2dM︸ ︷︷ ︸M3◦/3
= 2(8π)3
σ
G2
(~4c6
k4
)∫ τ
0
dt
⇓
τ = (8π)3
6G2σ
(k4
~4c6
)M3◦ ' 10−16M3
◦ (s)
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Evaporação de um buraco negro
P = AσT 4 (lei de Stefan-Boltzmann)A = 4πr2
◦ = 4π G2
c4 M2
T = ~c38πkGM
=⇒ P = 2(8π)3
σ
G2
(~c2
k
)4 1M2 '
1033
M2 (W)
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Densidade crítica
velocidade de afastamento das galáxias
v = H◦r (lei de Hubble)
Universo aberto de Einstein-de Sitter12mv2 = GMm
r
M = 43πρ◦r
3=⇒ ρ◦ =
3H◦8πG
' 10−29
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taxa de colisão
16 µm (raio do feixe na zona de colisão) =⇒ A ' 10−5 cm2
1011(prótons por bunch)
30 MHz (crossing rate)
σpp
A=
40 mb10−5 cm2 ' 2× 10−21
(probab. de colisão de um próton)
2× 10−21 × 1022 × 3× 107 = 600 milhões de colisões/segundo
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luminosidade (L)
L =1σpp
(dNdt
)=
6× 108
4× 10−26 ' 1034 cm−2 s−1
L = 1033 cm−2 s−1 =⇒ L(ano) ' 1040 cm−2 = 10 fb−1
σH ' 100 fb =⇒ NH ' 103/ano (3/dia)
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Artigos
– J. D. Bekenstein, “Black Holes and Entropy”, Phys. Rev. D, 2333 (1973).
– S. W. Hawking, “Particle Creation by Black Holes”, Comm. Phys. 43, 199 (1975).
– G. Landsberg, “Black Holes at Future Colliders and Beyond: a Review”,arXiv:hep-ph/0211043v1 (2002).
– A. D. Helfer, “Do Black Holes Radiates?”, arXiv:gr-qc/0304042v1 (2003).
– P. Kanti, “Black Holes in Theories with Large Extra Dimensions: a Review”,arXiv:hep-ph/0402168v2 (2004).
– A. Casanova, E. Spallucci, “TeV Mini Black Hole Decay at Future Colliders”,arXiv:hep-ph/0512063v1 (2005).
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• 27 km de perímetro• 14 trilhões de elétron volts (14 TeV)• 11.245 Hz (freqüência de revolução de cada feixe)• 2808 (número de bunches em cada feixe)• 104 × 3× 103 = 30 MHz (crossing rate)• 1011 (prótons por bunch)• 600 milhões de colisões por segundo• 25 ns (7 m) (espaço entre bunches)• 120 MW (20 milhões de euros)• 1800 magnetos e 7000 km de fios supercondutores
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Criogenia
• 9000 m3(volume de vácuo) – 40.000 pontos ou junções
• 10−13 atm ∼ 10−8 Pa ∼ 10−10 torr (λ ∼ 40 km)• 10.000 t de nitrogênio (12 milhões de litros)→ 80 K• 120 T de hélio (700 mil litros)→ 1,9 K (60% - magnetos)
• dipolos supercondutores (NbTi) – 8,3 T, 11.700 A, -271,3 ◦C• quadrupolos focalizadores
• cavidades de RF (5 MV/m – 400 MHz)
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Hepgrid
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O primeiro acelerador de partículas
tubo de raios catódicos
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