Hoe werken krachtdeeltjes

Transcriptie

1 HOVO cursus februari/maart 2019 Van atoom tot kosmos Piet Mulders 1 Hoe werken krachtdeeltjes P.J. Mulders home 1

2 Krachtdeeltjes van zwakke kracht en sterke Krachtdeeltjes: ü brengen krachten over ü creëren een paar (deeltje-antideeltje) ü annihileren een paar Richard Feynman Martinus Veltman Gerard t Hooft Hoe geven de quarks het proton zijn eigenschappen (Zo goed als) massaloze quarks en gluonen Protonen en neutronen: Basis bouwstenen van atoomkernen, tezamen 99.5 % van de zichtbare massa in het heelal Een one-line theorie: QCD (Quantumchromodynamics) L= 1 / ψ FF + ψ (i/ + A) 4g 2 Callan, Gross, Wilczek 2

3 QED versus QCD Dit betekent een constante kracht T 0 = 1 GeV/fm = 20 Ton Permanente opsluiting van gekleurde quarks Bijvoorbeeld: verval van neutron Neutron beta-verval n à p + e - + ν e Op niveau van quarks d à u + e - + ν e 3

4 Drie soorten neutrinos! Z 0 vervalt in ü quark paren (behalve top quarks!) ü lepton paren e + e -, µ + µ -, τ + τ - neutrino paren 1/τ = Γ met Γ = Σ Γ i botsingswaarschijnlijkheid energie (GeV) Sterkte van krachten sterke kracht Leeftijd is omgekeerd evenredig met vervalswaarschijnlijkheid elektromagnetische kracht zwakke kracht G F ~ α/m W 2 4

5 Kan de Aarde neutrino s stoppen 1 m m 2 Voor neutrinos is werkzame doorsnede voor botsing met één proton heel klein: m 2. Maar er zitten behoorlijk wat, protonen, in iedere cm 3 en dus zelfs in iedere m 3 1 m Botsingkans = x = 10-5 Kan de Aarde neutrino s stoppen m 2 1 m 2 Voor neutrinos is werkzame doorsnede voor botsing met één proton heel klein: m 2. Maar er zitten behoorlijk wat, protonen, in iedere cm 3 en dus zelfs in iedere m m Botsingkans = x = 10-5 Dwars door de Aarde is ruim km (dus 10 7 m). Dat betekent dat het neutrino maar liefst protonen voor zich ziet. Helaas dat is dus nog niet genoeg, de Aarde blijft een gatenkaas voor het neutrino. Het betekent dat er (gemiddeld) maar 1 op de 10 5 neutrinos wordt gestopt. 5

6 Super Kamiokande Zon gezien dwars door de Aarde heen HET HEELAL De massa in het heelal P.J. Mulders home 6

7 Massa en energie in het heelal Donkere energie 73% kosmische versnelling 23% Koude donkere materie Donkere baryonische materie (3.5%) Normale materie: sterren (0.4%) Massa- en energie-verdeling in heelal Rotatie van melkwegstelsels Gravitatielenzen Achtergrondstraling 7

8 Rotation curves of galaxies vr ( ) = GM ( R) R problem is known for a long time (Zwicky 1937) Possible solutions: Dark matter (Oort 1932) Gravity (Bekenstein 2004) 4π M( R) ρ R 3 π vr ( ) R G ρ Note that Mass bending light Albert Einstein sir Arthur Eddington Gravitational lensing, standard tool for investigating quasars 8

9 Large scale structure of universe 1E Matter and gas in bullet cluster Optical X-ray 9

10 Matter and gas in bullet cluster Optical Gravitational Matter and gas in bullet cluster 10

11 Donkere materie via lenswerking zichtbare, gravitationele (blauw) en röntgen (rood) afbeelding van de bullet cluster Stars (1-2%) Hot gas which interacts electromagnetically and is pulled back in the collission (5-15%) A lot of dark matter, which like the galaxies interacts only gravitationally (> 80%) No need for abnormal gravitational effects 4700 km/s 720 kpc 11

12 De geschiedenis van het heelal P.J. Mulders home De temperatuur van het heelal (prelude naar de geschiedenis van het heelal) P.J. Mulders home 12

13 Het meten van temperaturen in het heelal Kijkend naar de kleur (maximum van spectrale verdeling) of meer algemeen naar de vorm van het emissie-spectrum λ max 1 ~ T Energie ~ T 4 Deze emissie-spectra kunnen ook in het laboratorium gemaakt worden en zijn voor het eerst beschreven door Max Planck (Nobelprijs 1918) Temperatuur van de kosmos T ( θφ, ) K K 13

14 COBE en WMAP T = K ΔT ~ mk Uniforme verdeling Het dipool-effect vanwege het Doppler effect door de beweging van de aarde ten opzichte van de CMB (ongeveer 600 km/s) Effecten van Melkweg (gekozen als evenaar in de projectie) Afwezigheid van andere mk variaties ondersteunt het idee van inflatie (plotselinge uitdijing) ΔT ~ 10 µk Kosmologie als een precisie-wetenschap WMAP data Angular momentum Spectrum T ( θφ, ) K K T ( θφ, ) Y ( θφ, ) = a lm lm l Nbaryonen η = = (6.5 ) 10 N fotonen home 14

15 De geschiedenis van het heelal (een verhaal in zes episodes) P.J. Mulders home 13.7 miljard jaar geleden OERKNAL 15

16 Inflatie? 16

17 The linked image cannot be displayed. The file may have been moved, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location. 17

18 18

19 en tenslotte nu. Donkere materie via lenswerking EINDE home 19