Bez tytułu slajdu

Astrofizyka Wysokich Energii
dla Fizyków
Fizyka, V rok, wykład kursowy 30h
Prof. Bronisław Rudak
konsultacje: czwartki, 12:00 – 13:00
CAMK PAN, ul.Rabiańska 8
Syllabus
Wprowadzenie:
- jednostki, terminologia, ładne obrazki
Efekty relatywistyczne (STW):
- mechanika (przypomnienie)
- charakterystyki promieniowania źródeł makroskopowych,
m.in. relatywistycznych strug (jets)
Procesy elektromagnetyczne (EM) z udziałem cząstek relatywistycznych:
- promieniowanie krzywiznowe i synchrotronowe
- rozpraszanie Comptona
- kreacja i anihilacja par elektron - pozyton
Syllabus – cd.
Nieelastyczne procesy hadronowe:
- rezonans Delta
- własności cząstek wtórnych.
Astrofizyka neutrin
Promieniowanie Kosmiczne:
- własności
- mechanizmy przyspieszania cząstek.
Fizyka ważniejszych źródeł promieniowania gamma:
- czarne dziury
- błyski gamma (GRB)
- gwiazdy neutronowe
Kontekst kosmologiczny AWE:
- poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii Niebarionowej
(WIMPs = SUSY LSP).
Zalecana literatura
G. Rybicki, A. Lightman – Radiative Processes in Astrophysics
(Wiley, 1979 i 1984)
M. Longair – High Energy Astrophysics, Vol. 1, 2 (Cambridge, 1997)
G. Bicknell – High Energy Astrohysics,
www.mso.anu.edu.au/~geoff/HEA/HEA.html
C. Dermer, G. Menon – High Energy Radiation from Black Holes (dostępny plik pdf)
T. Stanev – High Energy Cosmic Rays (Springer-Praxis, 2004)
A. De Angelis et al. – Very High Energy Gamma Astrophysics, 2008, arXiv:0712.0315v4
(http://arxiv.org)
Particle Data Group – The Review of Particle Physics (http://pdg.lbl.gov)
Egzamin pisemny
a) proste testy (trzy możliwości, w tym jedna prawdziwa),
b) pytania wymagające zwięzłej odpowiedzi,
c) proste problemy wymagające oszacowań rachunkowych
(do policzenia `na palcach’).
Data egzaminu – do ustalenia
Kluczowe składniki AWE
ultrarelatywistyczne cząstki (γ >> 1)
+
pola fotonowe, magnetyczne, materia
Główne procesy hadronowe i leptonowe
z ich udziałem:
Związek między
Astrofizyką Wysokich Energii
a
Fizyką Wysokich Energii
(Fizyką Cząstek)
Przykład (slajdy nr 9 - 12):
Gęstość
materii niebarionowej
do gęstości
materii barionowej:
6:1
Symulacja:
satelita FERMI po roku obserwacji
zarejestruje sygnał, o ile
σ ~ 10 pb, Mχ~ 50 – 500 GeV
Niektóre jednostki tradycyjnie używane przez
astrofizyków (i wielu fizyków !):
1 erg = 1.6 ×1012 eV = 10-7 J
1 cm = 10 -2 m
1 G = 10 -4 T
…
1 pc = 3.8 × 1018 cm, 1 Mpc, 1 Gpc
…
1 foe = 1051 erg = 1044 J
W Fizyce Cząstek i AWE
energię pojedynczych cząstek
tradycyjnie wyraża się w elektronowoltach:
1 eV = 1.6 × 10-19 J
1 keV = 103 eV
1 MeV = 106 eV
1 GeV = 109 eV
1 TeV = 1012 eV
(tera-, bilion)
1PeV = 1015 eV (peta-, biliard)
1 EeV = 1018 eV (eksa-, trylion))
1 ZeV = 1021 eV (zetta-, tryliard)
Przykłady:
Typowa energia wiązania jąder atomowych ~ 10 MeV
Energia spoczynkowa protonu ≈1 GeV
Granica możliwości LHC (protony) ~ 7 TeV
Maks. energia cząstek Prom. Kosmiczn. ~100 EeV
--------------------------------------------------------------------------skala QCD ~ 1 GeV
skala EW ~ 100 GeV
skala GUT ~ 1015 GeV
skala QG (skala Plancka) ~ 1019 GeV
Wkrótce stulecie odkrycia PK
Problem naukowy:
naładowany electroskop
rozładowuje się z czasem
Hipoteza:
promieniowanie jonizujące
powietrze wskutek
radioaktywności gruntu
Pomysł weryfikacji:
wynieść elektroskop możliwie
wysoko w balonie; sprawdzić,
czy tempo jonizacji maleje
Wynik - wbrew oczekiwaniom:
Silny wzrost jonizacji wysoko nad
powierzchnią gruntu.
Promieniowanie jonizujące
pochodzi spoza atmosfery ziemskiej!
Viktor Hess (1912)
1936 nagroda Nobla
Baade & Zwicky (1934)
Los Angeles Times, 19 stycznia 1934:
‘Cosmic rays are caused by exploding
stars which burn with a fire equal to 100
million stars and then shrivel from 1/2
million miles diameter to little spheres
14 miles thick’,
says Prof. Fritz Zwicky, Swiss Physicist
Trzy hipotezy w jednym zdaniu:
- natura supernowych
- powstawanie gwiazd neutronowych
- pochodzenie promieniowania kosmicznego
100% trafień !
Fale uderzeniowe
w wybuchach supernowych
Dysk Galaktyki – przykład udziału cząstek PK w tych
procesach
1055-52
1952+32 (l.e.)
1706-44
1509-58
Vela
Geminga
Crab
Wiązka cząstek PK: darmowy akcelerator
- odkrycia cząstek elementarnych
itd. …
- wpływ na ewolucję biologiczną poprzez mutacje
- wpływ na ośrodek międzygwiazdowy (ISM): (dynamika, jonizacja, ...)
Najpotężniejsze
(ale nie darmowe!)
akceleratory ziemskie:
D=4.3 km
L=27 km
CERN LHC:
Ep ~ ±7 TeV
Luminosity
1034 cm-2 s-1
SLAC
Granica możliwości
procesu Fermiego
w falach uderzeniowych
w wybuchach supernowych
dN/dE ~ E -3
CERN LHC:
√s ~ 7 TeV
Fundamenty AWE
obserwacje,
obserwacje,
obserwacje,
…
Astrofizyka ostatnich lat:
Era wspaniałych odkryć
w domenie elektromagnetycznej (E-M)
oraz
w fizyce cząstek
Promieniowania Kosmicznego (PK).
Zakres energii w obserwacjach E-M: ~70 oktaw
PK: ~ 40 oktaw
Nowe obserwatoria promieniowania gamma
– lata 2008 i 2009
Kaskady elektronowo-fotonowe,
błyski promieniowania Czerenkowa
Detecting Very High Energy γ-rays
High Energy Stereoscopic System (HESS) w Namibii.
H.E.S.S. Faza II (od końca 2009 r.)