Massahysterie over het massamysterie. dr. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen & Nikhef

Transcriptie

1 Massahysterie over het massamysterie dr. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen & Nikhef

2 Voorbij het blote oog Antoni van Leeuwenhoek, : uitvinding van de microscoop ontdekking van de eerste bacteriën ( kleine beestjes ), μm E. coli (grootte ~ 1 μm) Resolutie beperkt tot ~ λ grens bij zichtbaar licht: 0.5 μm verbetering to ~ 1Å mogelijk met bijv. STM 2

3 Klein - kleiner - kleinst 3

4 Klein - kleiner - kleinst 3

5 Klein - kleiner - kleinst 3

6 Klein - kleiner - kleinst 3 ondeelbaar

7 Klein - kleiner - kleinst 3 ondeelbaar

8 Klein - kleiner - kleinst ondeelbaar 3 ondeelbaar

9 Geboorte van de deeltjesfysica Strijd tussen Thomson (ontdekker elektron, 1897) en Rutherford Beslist door het gebruik van deeltjes om binnen het atoom te kijken Rutherford + Geiger, Marsden: botsingen van α-deeltjes ( 4 He-kernen) met een goudfolie Ernest Rutherford diffuse ladingsverdeling (Thomson) ladingsverdeling met atoomkern (Rutherford) 4

10 Zoektocht naar elementaire deeltjes... Rutherford, 1911 kleine afmetingen hoge energieën Friedman, Kendall, Taylor,

11 Foto-electrisch effect (1905): deeltjeskarakter van licht maar ook: golfkarakter van deeltjes (elektronen) Licht als krachtdeeltje Elektromagnetische wisselwerking kan worden beschreven als het uitwisselen van fotonen in het krachtenveld tussen de twee deeltjes Kwantum-electrodynamica (QED): voorspellingen geverifieerd tot precisie : een succes! Albert Einstein Richard Feynman 6

12 ... en de wisselwerkingen tussen deeltjes 4 basis typen wisselwerkingen 7

13 ... en de wisselwerkingen tussen deeltjes Standaard- model Prachtig! Dezelfde theorie voor 3 krachten 4 basis typen wisselwerkingen 7

14 Elementaire deeltjes in het Standaardmodel Leptonen: 2 3 Quarks: en antideeltjes Krachtdeeltjes: foton (elektromagnetisme) gluonen (sterke wisselwerking) W/Z (zwakke wisselwerking) Ontbrekend (tot dit jaar): het Higgsdeeltje 8

15 Elementaire deeltjes in het Standaardmodel Leptonen: 2 3 Quarks: ,5 0, , en antideeltjes 80 0 Krachtdeeltjes: ,1 1,8 foton (elektromagnetisme) gluonen (sterke wisselwerking) < 10-8 W/Z (zwakke wisselwerking) zwaar korte dracht ( 1fm = m) Ontbrekend (tot dit jaar): het Higgsdeeltje massa s in GeV/c 2 ~ mp 8

16 Massa Een onveranderlijke eigenschap van de materie? 9

17 Massa uit interactie Waterstofatoom: bindingsenergie t.g.v. Coulomb-interactie mh < mp + me Proton: bijna alle massa t.g.v. interactie som van quarkmassa s mp 10

18 Massa uit interactie Waterstofatoom: bindingsenergie t.g.v. Coulomb-interactie mh < mp + me Proton: bijna alle massa t.g.v. interactie som van quarkmassa s mp 10

19 Massa door het Higgs-veld Geeft massa aan alle andere elementaire deeltjes 11

20 Massieve fotonen Meißner-effect: een supergeleider stoot magnetische veldlijnen af wiskundige beschrijving: massieve fotonen maar dit heeft een medium (e- paar condensaat) nodig! In de deeltjesfysica is het medium het vacuüm! 12

21 Massieve fotonen Meißner-effect: een supergeleider stoot magnetische veldlijnen af wiskundige beschrijving: massieve fotonen maar dit heeft een medium (e- paar condensaat) nodig! In de deeltjesfysica is het medium het vacuüm! 12

22 Dramatis Personae Robert Brout François Englert Peter Higgs Theoretische artikelen uit 1964: bijna een halve eeuw oud! pas echt belangrijk na aantonen van de consistentie van het Standaardmodel ( t Hooft en Veltman, 1973) en de ontdekking van de W- en Z-deeltjes (1983/4) Nobelprijzen in 1984 en het wachten is op 9 oktober 13

23 Technieken E = mc 2 + Ekin 14

24 Technieken Het Higgsdeeltje leeft zeer kort (τ s) dus hoe het te ontdekken? E = mc 2 + Ekin 14

25 Technieken Het Higgsdeeltje leeft zeer kort (τ s) dus hoe het te ontdekken? E = mc 2 + Ekin botsingen: converteer kinetische energie naar massa vervalsprocessen: reconstrueer de massa van het vervallende deeltje (als alle vervalsproducten gemeten worden) Entries / 1 MeV Minimum Bias Stream, Data 2009 ( ATLAS Preliminary Invariant Mass Gauss (+poly) fit µ = ± 0.1 (stat) MeV = 3.2 ± 0.1 (stat) MeV PDG (2009) m = ± MeV s=900 GeV) Both tracks: p > 100 MeV, Si hits > 6 T cos( ) > 0.8, flight distance > 0.2 mm Data Simulation (niet het Higgsdeeltje...) mλ [MeV] - m p 14

26 De Large Hadron Collider ATLAS CMS 27 km omtrek, 2 protonbundels met E = 4 TeV (v/c 0, ) 7 TeV hoge energie sterk magneetveld (tot 8.5 Tesla) superfluïde (T = 1,9 K) 15

27 De LHC: een succes! 16

28 De LHC: een succes! In 2 jaar meer botsingen dan in 10 jaar bij de vorige versneller ] -1 Delivered Luminosity [fb Jan ATLAS Online Luminosity 2010 pp s = 7 TeV 2011 pp s = 7 TeV 2012 pp s = 8 TeV Apr Jul Oct Month in Year 16

29 ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS 17

30 ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS 17

31 Botsingen in de LHC/ATLAS 100 miljard protonen per pakketje van 30 μm dik, 10 cm lang iedere 8 meter een pakketje Tot 40 miljoen foto s per seconde! ~ 100 miljoen pixels per foto 18

32 De uitdaging Interacties bij de LHC worden gedomineerd door de sterke wisselwerking waarschijnlijkheid om Higgsdeeltjes te maken is ~ 10 miljard keer kleiner onderdrukken van achtergronden is de kunst Meer details in de volgende lezing ECM (TeV) 19

33 Beschikbare informatie Massa van het Higgsdeeltje is a priori onbekend alle andere eigenschappen bekend voor gegeven massa we weten precies waarnaar we moeten zoeken! August 2009 directe zoektochten bij eerdere versnellers 80.5 LEP2 and Tevatron (prel.) LEP1 and SLD 68% CL 95% CL Limit/SM 10 1 Tevatron Run II Preliminary, L 8.6 fb -1 LEP Exclusion SM=1 Expected Observed ±1 Expected ±2 Expected Tevatron Exclusion Tevatron Exclusion July 17, m H (GeV/c 2 ) m W [GeV] α m H [GeV] m t [GeV] indirecte aanwijzingen van precisiemetingen 20

34 4 juli 21

35 4 juli 21

36 Vervolg Sommige eigenschappen zijn meteen bekend! bijvoorbeeld massa: mh 126 GeV/c 2 Maar nog te bepalen: koppelingssterktes aan andere deeltjes (kunnen subtiel verschillen in uitbreidingen van het Standaardmodel) andere eigenschappen En dan gerichter verder zoeken naar die uitbreidingen! donkere materie & energie zie lezing later vanmiddag zwaartekracht waar is de antimaterie? zie lezing later vanmiddag 22