2009/1 viii Nikhef Workshop Black Holes in de LHC 3de-jaars bachelor NIKHEF/UvA docenten: Dr. Ivo van Vulpen (ivov@nikhef.nl) Dr. Auke-Pieter Colijn (z37@nikhef.nl) Dr. Marcel Vreeswijk (h73@nikhef.nl) NIKHEF/UVA 1
1 Samenvatting Doet de Large Hadron Collider het veilig? Doemdenkers en een handjevol natuurkundigen denken dat er bij de nieuwe deeltjesversneller in Geneve (LHC) zwarte gaten of andere exotische verschijnselen zouden kunnen optreden die een bedreiging zijn voor onze planeet. Dergelijke doemscenarios hebben de afgelopen maanden toen de LHC voor het eerst in werking werd gezet overdadige aandacht gekregen in de media. De organisatoren van de workshop willen graag samen met de deelnemers een eenduidig antwoord krijgen op de vraag of of we ons echt geen zorgen moeten maken en of al deze media aandacht nou terecht was. Gedurende de eerste week wordt een basis gelegd van LHC kennis. Daarna worden verschillende theoretische modellen bekeken die microscopische zwarte gaten voorspellen. De eigenschappen van deze objecten worden gelegd naast die van macroscopische zwarte gaten. Een analyse van bestaande waarnemingen cosmologisch en deeltjesbotsingen in combinatie met onze theoretische kennis zal ons leiden naar een heldere verklaring over de veiligheid van de LHC. 2 de Workshop De vorm van dit vak, Workshop, houdt in dat jullie zelf de stof moeten bestuderen en daarover elkaar geregeld rapporteren in de vorm van een presentatie. We werken in groepjes van ongeveer 4 personen aan een onderwerp. De presentaties duren ongeveer 30 minuten en je moet als individu minstens bij twee presentaties aan het woord zijn geweest. De opgaven dienen als groep gemaakt en ingeleverd te worden en we zullen je af en toe vragen de opgave toe te lichten (voor het bord). De Workshop is geroosterd in week2-5 op de dinsdag- en donderdagochtenden. De dagindeleing ziet er als volgt uit. In de rest van dit document staan enkele onderwerpen beschreven waaruit je kunt kiezen. Dit document is nog niet volledig en zal ge-update worden tijdens de Workshop aan de hand van de verkregen inzichten. 2
Dag 1 Presentatie Black Holes Dr. Colijn dinsdag Indelen van vier groepen Korte toelichting opgave Inlezen Keuze van een Onderwerp Dag 2 Colijn/Vreeswijk donderdag Uitwerken groepsonderwerp Maken opgaven Voorbereiden Presentatie Dag 3 Colijn/Vreeswijk dinsdag Presentatie (PI) 4x Inleveren/bespreken Opgave OI Korte toelichting nieuwe opgave Keuze van een Onderwerp Dag 4 Colijn/Vreeswijk donderdag Uitwerken groepsonderwerp Maken opgaven Voorbereiden Presentatie Dag 5 Vulpen dinsdag Presentatie (PII) 4x Inleveren/bespreken Opgave OII Korte toelichting nieuwe opgave Keuze van een Onderwerp Dag 6 Colijn/Vreeswijk/Vulpen donderdag Uitwerken groepsonderwerp Maken opgaven Voorbereiden Presentatie Dag 7 Colijn/Vreeswijk/Vulpen dinsdag Uitwerken groepsonderwerp Maken opgave Voorbereiden Presentatie Dag 6 Colijn/Vreeswijk/Vulpen donderdag Presentatie (PIII) 4x Inleveren/bespreken Opgave OIII Discussie m.b.t. Safety 3
3 Schriftelijke opgaven De opgaven zitten of achteraan dit document en/of apart uitgereikt. De eerste opgave zal gaan over de structuur van het proton en de productie cross-sectie van zwarte gaten. (Denk erom: je kunt beter je opgave niet op tijd af hebben dan je presentatie.) 4 Onderwerpen voor Presentaties In deze sectie vind je een aantal onderwerpen die je (als groep) kunt kiezen voor je presentatie. Wat je presenteert moet je in principe zelf bedenken, maar we geven ook een aantal centrale vragen die verplicht in je presentatie be-antwoord moeten worden. 4.1 PI 4.1.1 Een overzicht van het Standaard Model (zonder Higgs) Bij dit onderwerp geef je een overzicht van het Standaard Model tot nu toe. Derhalve laat je het Higgs mechanisme buiten beschouwing. De centrale vragen die je in deze context eveneens moet be-antwoorden zijn: Waarom vervalt een muon niet naar een electron en het bijbehorende electronneutrino? Waarom vervalt het proton niet? Kan het anti-proton wel vervallen? Is het neutron zijn eigen anti-deeltje? Koppelen fotonen aan elkaar? Koppelen gluonen aan elkaar? Waarom blijft een Helium kern bestaan? (immers, als je naar de elektrische kracht kijkt, willen de protonen juist niet bij elkaar zitten. 4.1.2 De ATLAS detector Bij dit onderwerp geef je een overzicht van detectietechnieken die in de ATLAS detector worden toegepast. De centrale vragen die je in deze context eveneens moet be-antwoorden zijn: Als een foton, electron, muon, pion of Z deeltjes wordt geproduceerd, hoe herken je zo n deeltje dan. (deeltjes identificatie). Hoe meet je de energie van verschillende soorten deeltjes (zoals foton, electron, muon, pion en Z deeltje). Als er een neutrino wordt geproduceerd, hoe meten we dan de impulscomponenenten van het neutrino? Of meten we die niet? 4
4.1.3 De Large Hadron Collider Bij dit onderwerp beschrijf je de werking van de LHC. De centrale vragen die je in deze context eveneens moet be-antwoorden zijn: Hoe blijft een proton in zijn baan? Hoe werkt een dipool magneet? Hoe werkt een quadrupool magneet? Hoe werkt een magnetische lens? Hoe worden protonen versneld? 4.1.4 Het Higgs mechanisme Bij dit onderwerp beschrijf je het Higgs mechanisme. De centrale vragen die je in deze context eveneens moet be-antwoorden zijn: Wat voorspelt het SM voor de massa van de deeltjes? Wat voorspelt het SM voor de ratio van de massa s van de zware ijkbosonen? Wat is theoretisch de lower//upper bound op de Higgs massa? Wat is experimenteel de lower//upper bound op de Higgs massa? Hoe ver komt het Higgs deeltje in de ATLAS detector? deeltje en zijn massa? Hoe meet je het Higgs 5
4.2 PII 4.2.1 Klassieke zwarte gaten Bij dit onderwerp beschrijf de beginselen van de klassieke zwarte gaten theorie. De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Wat is de relatie tussen de massa en de Schwarzschild radius? Wat is Hawking radiation? Wat is de levensduur van een zwart gat? Heeft een zwart gat angular momentum? En entropie? Kan een zwart gat een electrisch veld hebben? 4.2.2 Micro zwarte gaten Bij dit onderwerp beschrijf de beginselen van de quantum zwarte gaten theorie. De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Wat is een micro-blackhole? Wat is de relatie tussen de massa en de Schwarzschild radius? Wat is Hawking radiation? Wat is de levensduur van een zwart gat? Heeft een zwart gat angular momentum? En entropie? Wat is de kans (cross sectie) om een zwart gat in een deeltjesbotsing te produceren? 4.2.3 Extra dimensies en zwarte gaten Bij dit onderwerp beschrijf de beginselen van de Extra Dimensie theorie. De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Hoe groot kunnen Extra Dimensies zijn? Tot hoever is de 1/r 2 voor zwaartekracht getest? Hoe werkt het model van Arkani-Hamed en Dimopoulos Dvali? Welke theoretische (mogelijke) problemen m.b.t. Standaard Model worden opgelost door Extra Dimensies? Wat is de relatie tussen Extra Dimensies en Zwarte Gaten? 6
4.2.4 Extra dimensies zonder zwarte gaten Bij dit onderwerp beschrijf de beginselen van de Extra Dimensie theorie. De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Hoe groot kunnen Extra Dimensies zijn? Tot hoever is de 1/r 2 voor zwaartekracht getest? Beschrijf het model van Kaluza-Klein Beschrijf het model van Randrall-Sundrum Welke theoretische (mogelijke) problemen m.b.t. Standaard Model worden opgelost door Extra Dimensies? 7
4.3 PIII De laatste presentatie ronde begint met een onderwerp uit het safety report zoals uitgereikt (kopie-en eerste dag). Uiteraard wordt van iedereen verwacht dat je het rapport in zijn geheel bestudeerd. 4.3.1 Exotische modellen Bij dit onderwerp beschrijf de beginselen exotische modellen (behalve zwarte gaten) die in het safety rapport worden genoemd. Dit zijn dus vacuum bubbles, magnetic monopoles en stranglets. De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Kunnen we deze object meten bij de LHC? Hoe? Kunnen deze objecten een gevaar opleveren? 4.3.2 Kosmische straling Bij dit onderwerp leg je eerst uit wat de huidige inzichten zijn en lopende experimenten meten aan kosmische straling. Denk aan samenstelling en energie. De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Vergelijk de energy van kosmische straling met die van de LHC botsingen Hoe werkt de GZK cuttoff. Wat leren we van kosmische straling in de context van het gevaar van zwarte gaten productie bij LHC? Betrek ook neutronen-sterren in je antwoord. 4.3.3 Productie van zwarte gaten in de LHC Bij dit onderwerp bespreek je de fenomenologie van zwarte gaten die geproduceerd worden in de LHC. De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Hoe vaak wordt een zwart gat geproduceerd ij de ATLAS detector? Hoe ziet een zwart gat in ATLAS eruit? Wat voor deeltjes worden er gemaakt en in welke mate? Hoe meet je de massa, temperatuur van een zwart gat? Kun je ook de entropie meten? 8
4.3.4 Extra Dimensies bij de LHC Bij dit onderwerp bespreek je de fenomenologie van het bestaan van Extra Dimensies (zwarte gaten uitegezonderd). De centrale vragen die je in deze context eveneens (uitgebreid) moet be-antwoorden zijn: Als gravitonen bestaan, wat voorspelt het model van Kaluza-Klein en dat van Randall-Sundrum aan meetbare effecten (of deeltjes)? Hoe meten we die effecten of deeltjes? Met welke resolutie? Hoe tonen we een spin-2 deeltje aan? 9
5 Documentatie Je moet zelf op zoek naar documentatie. De belangrijkste link is uiteraard www.cern.ch (en google.com). Afhankelijk van de versie, vind je achteraan dit document nog extra documentatie. 6 Computergebruik Op de elelxx (met xx van 01 tot 22) machines werken de standaard studioxx accounts. Als je bent ingelogd en je wilt files bewaren, maak dan een directory onder je eigen naam. Email je files regelmatig naar jezelf zodat je een backup hebt! We zijn bezig om ook microsoft-windows te ondersteunen, zodat jullie ook powerpoint en dergelijke kunnen gebruiken. Let op: het volgende werkt waarschijnlijk nog niet, omdat dit volgens het huidige computer beleid nog niet is toegestaan ivm veiligheid. In een unix-window op de elelxx machine, kun je inloggen op een microsoft-windows server met: rdesktop 192.16.194.101 of voor een groter scherm: rdesktop -g90% 192.16.194.101 gebruik het studioxx account of nguest (maar dit is nu nog niet toegestaan, helaas.) 10