Wetenschappelijke Nascholing Deel 1: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje

Transcriptie

1 Wetenschappelijke Nascholing Deel 1: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Dirk Ryckbosch Fysica en Sterrenkunde 9 oktober 2017 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

2 9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

3 9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Neutrino-astronomie Steriele neutrino s? Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

4 9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Neutrino-astronomie Steriele neutrino s? 23/10/2017: En wat met de overige 96%? Elementaire deeltjes en kosmologie Donkere materie Donkere energie Het grote onbekende Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

6 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

9 1803: John Dalton stelt atomen voor 20 gekend ( hydrogen, azote, carbone, oxygen,... ) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

10 1871: Dimitri Mendeleev Stelt Periodiek Systeem der elementen voor 56 gekend Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

11 1871: Dimitri Mendeleev Stelt Periodiek Systeem der elementen voor 56 gekend Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

12 Atomen anno atomen gekend kleinste dingen die individueel zichtbaar zijn afmetingen: m = m Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

13 1897: J.J.Thomson ontdekt elektron Kathodestralen : negatief geladen deeltjes negatief geladen onderdeel van atoom Atomen zijn ongeladen: waar zit positieve lading? Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

14 1912: E.Rutherford ontdekt atoomkern Positief geladen kern in atoom Veel kleiner dan atoom: m Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

15 1900: H.Becquerel, P.&M.Curie ontdekken radioactiviteit Omzetting van atoomkernen in elkaar atoomkernen zijn geen fundamentele deeltjes Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

16 Kernstructuur 1917: E.Rutherford: ontdekking proton Positief geladen bestanddeel atoomkern 1932: E.Chadwick: ontdekking neutron Ongeladen bestanddeel atoomkern Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

17 Kernstructuur 1917: E.Rutherford: ontdekking proton Positief geladen bestanddeel atoomkern 1932: E.Chadwick: ontdekking neutron Ongeladen bestanddeel atoomkern Proton + neutron atoomkern Atoomkern + elektron atoom Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

18 Kernstructuur 1917: E.Rutherford: ontdekking proton Positief geladen bestanddeel atoomkern 1932: E.Chadwick: ontdekking neutron Ongeladen bestanddeel atoomkern Proton + neutron atoomkern Atoomkern + elektron atoom Nieuwe krachten nodig Kernkracht: om protonen en neutronen te binden Zwakke kracht: voor radioactief verval Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

20 Krachten Deeltjes interageren via veld Kleinst mogelijke golf in veld = deeltje Elektromagnetisch veld foton Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

21 elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

24 elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Zwaartekracht, elektromagnetisme: kracht 1 r 2 Kernkracht, zwakke kracht: beperkt tot m Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

25 elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Zwaartekracht, elektromagnetisme: kracht 1 r 2 Kernkracht, zwakke kracht: beperkt tot m 1935: H.Yukawa Krachtdeeltjes met massa korte dracht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

26 elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Zwaartekracht, elektromagnetisme: kracht 1 r 2 Kernkracht, zwakke kracht: beperkt tot m 1935: H.Yukawa Krachtdeeltjes met massa korte dracht 1968: S.Glashow, S.Weinberg, A.Salam Vectordeeltjes voor zwakke kracht: W, Z Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

27 : ontdekkingen in Kosmische Straling positron (anti-deeltje van elektron) muon (zwaardere versie van elektron) pion (Yukawa krachtdeeltje?) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

30 : ontdekkingen met deeltjesversnellers anti-proton kaonen rho-mesonen Λ-hyperonen... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

34 : quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

35 : quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren u + u + d proton p u + d + d neutron n proton + neutron atoomkern atoomkern + elektronen atoom atoom + atoom molecule Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

36 : quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren u + u + d proton p u + d + d neutron n Sterke kracht proton + neutron atoomkern atoomkern + elektronen atoom El.magn. kracht atoom + atoom molecule niets Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

37 : quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren u + u + d proton p u + d + d neutron n Sterke kracht proton + neutron atoomkern Kernkracht atoomkern + elektronen atoom El.magn. kracht atoom + atoom molecule Moleculaire kracht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

38 Materiedeeltjes Quarks (1970: u, d, s) Leptonen (1970: e, µ) Krachten Sterke kracht Zwakke kracht Elektromagnetische kracht Zwaartekracht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

39 Materiedeeltjes Quarks (1970: u, d, s) Leptonen (1970: e, µ) Krachtdeeltjes Gluonen (g) Vectordeeltjes (W, Z) Fotonen (γ) Gravitonen (?) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

40 Materiedeeltjes Quarks (2017: u, d, s, c, b, t) Leptonen (2017: e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ ) Krachtdeeltjes Gluonen (g) Vectordeeltjes (W, Z) Fotonen (γ) Gravitonen (?) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

42 Materiedeeltjes 3 generaties u, d, e, νe c, s, µ, ν µ t, b, τ, ν τ Elke generatie zwaarder dan vorige Fundamentele krachten Sterke kracht: gluonen, massaloos Zwakke kracht: W, Z, massief Elektromagnetisme: fotonen, massaloos Zwaartekracht: gravitonen, massaloos Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

43 Materiedeeltjes 3 generaties u, d, e, νe c, s, µ, ν µ t, b, τ, ν τ Elke generatie zwaarder dan vorige Fundamentele krachten Sterke kracht: gluonen, massaloos Zwakke kracht: W, Z, massief Elektromagnetisme: fotonen, massaloos Zwaartekracht: gravitonen, massaloos Oorsprong massa? Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

44 Eenmaking krachten 1875: J.C.Maxwell: elektriciteit + magnetisme = elektromagnetisme Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

45 Eenmaking krachten 1875: J.C.Maxwell: elektriciteit + magnetisme = elektromagnetisme Elektromagnetisme + zwak = elektrozwak? Massaloos foton Massieve W, Z Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

46 Eenmaking krachten 1875: J.C.Maxwell: elektriciteit + magnetisme = elektromagnetisme Elektromagnetisme + zwak = elektrozwak? Spontane symmetriebreking Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

47 Spontane symmetriebreking 1961: Nambu: spontane symmetriebreking door interactie met veld Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

48 Spontane symmetriebreking 1961: Nambu: spontane symmetriebreking door interactie met veld Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

49 Spontane symmetriebreking 1961: Nambu: spontane symmetriebreking door interactie met veld 1963: Brout, Englert Higgs Guralnik, Hagen, Kibble: Krachtdeeltjes interageren met veld: krijgen massa Materiedeeltjes koppelen ook met veld Vrij velddeeltje: massief H-boson Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

53 Brout-Englert-Higgs mechanisme Voer nieuw veld in Deeltjes koppelen aan veld Koppelingssterkte massa Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

57 Brout-Englert-Higgs mechanisme Voer nieuw veld in Deeltjes koppelen aan veld Koppelingssterkte massa Voorspelling: Nieuw deeltje: H-boson Leeft zeer kort Vervalt in lichtere deeltjes Koppeling massa Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

58 Hoe H-deeltje maken? Botsen van versnelde deeltjes e + + e H u + ū H e, u,... veel te licht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

59 Hoe H-deeltje maken? Botsen van versnelde deeltjes e + + e H u + ū H e, u,... veel te licht LHC-versneller botsingen/sec 5 H/min Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

63 LHC Versnelt protonen tot 13 TeV: % van de lichtsnelheid Twee bundels in tegengestelde richting Magneetvelden tot 8.3 T: aardmagnetisch veld Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

66 CMS: Compact Muon Solenoid > 36 landen > 180 instituten > 3000 fysici 6 Belgische universiteiten (VUB, UA, UGent, UCL, ULB, UMH) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

68 CMS: Compact Muon Solenoid > 36 landen > 180 instituten > 3000 fysici 6 Belgische universiteiten (VUB, UA, UGent, UCL, ULB, UMH) Totaal gewicht Diameter Lengte Magnetisch veld ton 15 m 21.6 m 4 T Evenveel staal als de Eiffeltoren Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

81 LHC - runs Moeilijke start in 2009 Start half 2010 langzaam opbouwen intensiteit 2011: eerste goede run 2012: iets hogere energie, 4 meer intensiteit : herstellingen, upgrade : hogere energie, hogere intensiteit Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

82 Zoektocht naar H-boson in alle mogelijke vervalkanalen eerste indicaties: december juli 2012: ontdekking Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

87 Zomer 2013 Hoeveelheid gegevens verdubbeld Nu ook: H b b, H τ + τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

88 Zomer 2013 Hoeveelheid gegevens verdubbeld Nu ook: H b b, H τ + τ Koppeling massa! Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

89 Zomer 2013 Hoeveelheid gegevens verdubbeld Nu ook: H b b, H τ + τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

91 Standaard Model Alle bekende deeltjes passen in schema 6 quarks: u, d, s, c, b, t 6 leptonen: e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ 3 krachten: γ, W, Z, g Massa via H-veld Verklaart bijna alle fenomenen in versnellerlabs Legt basis voor alle verdere fysica, chemie,... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40

92 Standaard Model Alle bekende deeltjes passen in schema 6 quarks: u, d, s, c, b, t 6 leptonen: e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ 3 krachten: γ, W, Z, g Massa via H-veld Verklaart bijna alle fenomenen in versnellerlabs Legt basis voor alle verdere fysica, chemie,... Paar kleine probleempjes Massa neutrino s Massa H-deeltje Zwaartekracht Donkere materie Donkere energie... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober / 40