Microscopic black holes

Abstract

In this report I will write about the possibility of black hole creation when introducing the
theory of extra spatial dimensions in the visible (3+1) dimensional universe.
First I will give a little background on the postulation of black hole formation and talk about
what properties black holes have in general, for example the event horizon, singularity and the
formation of the black hole is discussed. Other theories like general relativity and the gauge
theory will be discussed before discussing the main theme.
In the main theme I will discuss the basic concepts of extra dimensions talking about the
phenomena that would appear if extra dimensions exist. After this I will discuss the
ADD-model and it's interpretation of extra dimensions before I discuss black hole formation
in extra dimensional scenarios and Hawking radiation and how it affect black holes.
At last I will discuss two experiments on extra dimensions and black holes. The first
experiment is conducted in the main detector at Large Hadron Collider (LHC) in Switzerland
where the CMS collaboration look at the transverse energy T E of events from pp collisions
with signals similar to expected signals for black holes. In the second experiment, which is
conducted in the Tevatron in the USA, the CDF collaboration look at the missing transverse
energy ETmiss for events from pp collisions with one or two high energy jets, where the
missing energy is expected to correspond to gravitons.

Abstract (Swedish)

Populär sammanfattning

Universum är fyllt av underliga fenomen som gett fysiker runt om i världen långa arbetsdagar och sömnlösa nätter. Ett av alla dessa fenomen är den underliga skillnaden i styrka mellan universums fyra naturkrafter. I mitt examensarbete skriver jag om extra dimensioner utöver den (3+1) - dimensionella rumtiden som ska kunna bidra till att förklara denna skillnad i styrka mellan de naturliga krafterna. Jag beskriver också möjligheten att skapa svarta hål med existerande acceleratorer om teorin om extra dimensioner stämmer.

Ett svart hål är ett underligt objekt i universum med många intressanta delar. Svarta hål kan t.ex. inte observeras direkt beroende på att allt, t.o.m. ljus, innanför en gräns runt det svarta hålet (kallad händelsehorisonten) färdas mot det svarta hålets mitt. Sett utifrån på tillräckligt avstånd kommer ett objekt som färdas mot ett svart hål att sakta ner, bli allt suddigare och allt rödare. Detta beror på något som kallas för tidsdilation, ett relativistiskt fenomen beroende av gravitation. En annan intressant del av svarta hål är singulariteten som tänkes ligga i mitten av det svarta hålet. I princip all materia i det svarta hålet befinner sig i denna punkt som är oändligt liten, vilket gör att man kan säga att singulariteten har en oändligt hög densitet. Detta gör att alla ”normala” samband inom fysiken bryts ner i denna punkt, men genom att sammanlänka allmän relativitet och kvantmekanik hoppas fysiker att man ska kunna förklara svarta hål utan att introducera en singularitet.

Problem med den moderna fysiken
Ett problem med den moderna fysiken är att man förväntar sig att tre av de fyra naturliga krafterna (elekromagnetiska kraften, starka och svaga kraften) får samma styrka vid en viss energi, men inte gravitationen. I början av 1900-talet kom fysiker på idén att man kan förklara styrkeskillnaderna mellan gravitation och elektromagnetism genom att införa extra rums-dimensioner. Denna idé resulterade i många modeller, exempelvis ADD-modellen. Den går ut på att den (3+1)-dimensionella rumtiden är som ett membran av vårt ”verkliga” universum, som utöver rumtiden består av små extra dimensioner. Styrkeskillnaden hos krafterna i naturen orsakas av att elektromagnetism, den starka och den svaga kraften sitter fast på rumtidsmembranet medan gravitation verkar i hela det ”verkliga” universumet. Det betyder att tre av de fyra naturliga krafterna har full styrka i rumtidsmembranet medan gravitationen späder ut sin styrka i hela det ”verkliga” universumet.

ADD-modellen förutser produktion av svarta hål med en livstid av storleksordning s och med en massa, som är tillräckligt låg för att kunna uppnås med hjälp av energin som är tillgänglig i dagens acceleratorer. Detta har gjort att fysiker med hjälp av protonacceleratorn LHC i Schweiz söker efter signaler från kollisionshändelser som svarar mot produktion av mikroskopiska svarta hål. Ingen sådan produktion har kunnat verifieras än, men eftersom LHC ännu inte nått maximal energi i sina kollisioner finns fortfarande möjligheten för framtida produktion av minimala svarta hål i LHC.

• author: Merouani, Jakob
• supervisor: Else Lytken
• organization: Department of Physics
• course: FYSK01 20111
• year: 2011
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 2165277
• date added to LUP: 2011-09-22 12:46:21
• date last changed: 2015-12-14 13:33:11