Elementaire en Fundamentele Deeltjes

Transcriptie

1 Elementaire en Fundamentele Deeltjes Voordracht voor de Academy of Future Science Utrecht, 18 september 2005 Fred Hartjes NIKHEF

2 Onderwerpen Inleiding Methodiek in de natuurkunde Basisbegrippen Krachten, wisselwerkingen Elektrische kracht Magnetische kracht Elektromagnetisme Zwaartekracht en traagheid Iets over energie en entropie in de thermodynamica Relativiteit Kwantummechanica Opbouw van de materie Atoommodel van Bohr Quarkstructuur Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 2

3 Onderwerpen (vervolg) Onzekerheidsrelatie van Heisenberg Astrofysica Donkere materie? Theorieën in de deeltjesfysica Experimenten in de deeltjesfysica Versneller Meetopstelling Instituten voor deeltjesonderzoek NIKHEF CERN Alles gelardeerd met verscheidene films en een demonstratie Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 3

4 Methodiek in de natuurkunde De bron van alle kennis is het experiment Maar de uitkomsten van het experiment zijn nutteloos zonder een verklarende theorie Experimenteren en systematisch meten vooral begonnen na de middeleeuwen theorie experiment Ook bewezen theorieën worden nog vaak overnieuw getoetst Nergens wordt zo veel getwijfeld als in de exacte wetenschappen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 4

5 Basiskennis: getallen In de natuurkunde werken we vaak met heel grote of heel kleine getallen Bijvoorbeeld de waarde is niet handig om mee te werken => we schrijven het daarom als 3.4 x = duizend 10 7 = tien miljoen 10 9 = een miljard = een miljard maal een miljard 10-3 = een duizendste deel 10-7 = een tien-miljoenste deel 10-9 = een miljardste deel = een miljardste maal een miljardste deel 100 x = Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 5

6 Energie eenheid / massa In de natuurkunde is de Joule (J) de eenheid van energie 1 J is ongeveer de energie die nodig is om een gewicht van 1kg 10 cm omhoog te brengen 1 Watt = 1 J per seconde Er is een relatie tussen thermische energie en mechanische energie: 1 cal 4.2 J In de voedingsleer bedoelt men met calorieën meestal kilocalorieën (kcal) In de natuurkunde spreken we over massa als we een bepaalde hoeveelheid materie van een voorwerp bedoelen en over gewicht als aanduiding van de zwaarte van het voorwerp Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 6

7 Energie eenheid in deeltjesfysica De absolute waarde van de energieën in de elementaire deeltjesfysica is meestal erg klein Daarom drukken we die energie uit in elektronvolt (ev) Een elektronvolt is de energie die het elektron krijgt wanneer het naar een punt beweegt met 1 volt hogere spanning 1 ev = 1.60 x J elektron 1 V Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 7

8 Krachten of wisselwerkingen Zwaartekracht Elektromagnetische/zwakke wisselwerking Elektromagnetische kracht Zwakke wisselwerking Sterke wisselwerking Fundamentele Houdt de quarks binnen een elementair deeltje bij elkaar Blijvende Houdt de protonen en neutronen in de atoomkern bij elkaar Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 8

9 Elektrische kracht Een elektrisch geladen voorwerp trekt tegengestelde ladingen aan en stoot ladingen meteen gelijk teken af Voorbeeld: statische elektriciteit Kracht neemt af met het kwadraat van de afstand 2 x zo ver weg => 4x zo kleine kracht Drager van elektrische lading is het (negatief geladen) elektron _ Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 9

10 Elektrisch veld Een elektrisch geladen voorwerp zendt een bolvormig krachtveld uit: het elektrisch veld Een andere elektrische lading in dit veld ondervindt hiervan een kracht _ + Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 10

11 Magnetische kracht In principe dezelfde vergelijkingen als bij het elektrische veld _ Drager van magnetische lading is de magnetische monopool Dit is momenteel alleen theorie, de magnetische monopool is nog nooit waargenomen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 11

12 Elektromagnetisme Er is een koppeling tussen elektrische velden en magnetische velden Bewegende elektrische lading wekt een magnetisch veld op Een veranderend magneetveld wekt evenzo een elektrisch veld op De magnetische velden die we in het dagelijks leven tegenkomen zijn allen het gevolg van elektrische kringstromen en NIET van magnetische lading Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 12

13 Elektrische en magnetische velden Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 13

14 Elektromagnetische golf Door een op en neer bewegende elektrische lading ontstaat een golf beweging van het elektrische veld (E) dat op zijn beurt weer een magnetisch veld (B) opwekt Deze golf plant zich voort met de lichtsnelheid Het deeltje van de elektromagnetische golf is het foton Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 14

15 Elektromagnetisch spectrum Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 15

16 Zwaartekracht en traagheid Zwaartekracht (gravitatiekracht) is de onderlinge aantrekkingskracht van materie Alle massa trekt elkaar aan Zwaartekracht is universeel Werkt op alle massa in gelijke mate Werkt ook op licht (een elektromagnetische golf heeft ook massa) Heeft geen polariteit Kan niet worden afgeschermd of tenietgedaan Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 16

17 Zwaartekracht Gravitatiekracht omgekeerd evenredig met kwadraat van de onderlinge afstand (als je de voorwerpen van elkaar verwijdert neemt de kracht snel af) Zelfde vergelijking als voor het elektrische veld Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 17

18 Zwaartekracht (vervolg) Gravitatiekrachtconstante is heel klein G = * kg -1 m 3 s -2 Alleen bij grote massa s (aarde met 6 * kg) merken we er wat van in het dagelijks leven Door gravitatiekracht zijn de grotere hemellichamen allemaal rond Door gravitatiekracht draait de aarde om de zon Bij zeer grote massa s in de ruimte treedt extreem hoge zwaartekracht op waardoor zelfs de atomaire structuur verdwijnt en licht niet meer kan ontsnappen (zwart gat) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 18

19 Zwaartekracht (vervolg-1) Gravitatiekracht plant zich voort met (eindige) lichtsnelheid Bijzondere gebeurtenissen ver in de ruimte (invangen van een ster in een zwart gat etc.) produceren zwaartekrachtsgolven Er zijn experimenten (gravitatieantennes) die deze zwaartekrachtsgolven proberen waar te nemen Het krachtdeeltje van de zwaartekracht is het graviton (nog niet ontdekt) Theoretici schrijven het ontstaan van zwaartekracht toe aan vervorming van ruimte en tijd Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 19

20 Traagheid Traagheid is het verschijnsel dat we moeite moeten doen om iets in beweging te krijgen Ook traagheid is een universele eigenschap die alle materie heeft Zware massa = trage massa Zware voorwerpen vallen even snel als lichte voorwerpen Een kleine loden kogel valt even snel als een grote Het deeltje van de traagheid is het Higgs boson Nog niet ontdekt, maar hopelijk gevonden bij de LHC op CERN Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 20

21 Thermodynamica: Energie 1e hoofdwet van de thermodynamica: De totale hoeveelheid energie blijft altijd dezelfde Wel gaat energie vaak in een andere vorm over Warmte => elektriciteit of kinetische energie (beweging) Warmte => droogkoken van water Energie kan uit reacties tussen moleculen vrijkomen (verbranden van aardgas) Energie kan ook in materie worden omgezet (botsingen in een deeltjesversneller) Ook omgekeerd: materie in energie (annihilatie materie met antimaterie, kernreactor) => energie heeft massa (E = m c 2 ) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 21

22 Entropie Entropie: mate van wanorde / mate van gelijkmatigheid Grote entropie => veel wanorde / zeer gelijkmatig 2e hoofdwet van de thermodynamica De natuur streeft altijd naar de hoogste entropie Oplossen van zout in water => ook zonder te roeren is het zout na enige tijd volledig opgelost Warmteverdeling Leg een warm en een koud voorwerp op elkaar => na enige tijd hebben ze de zelfde temperatuur Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 22

23 Instituten op gebied van de elementaire deeltjesfysica Bijna in ieder land van enige betekenis VS Japan China India Europa (Nederland => NIKHEF) Versnellerinstituten VS Fermilab Japan KEK Europa CERN (Zwitserland) DESY (Duitsland) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 23

24 CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Europees laboratorium voor deeltjesonderzoek in Genève Bijna alle Europese landen zijn lid Ook aantal nieuwe Oostblok landen: Polen, Hongarije, Tsjechië, Bulgarije Observer states: India, Israel, Japan, the Russian Federation, Turkey, USA Bijna 3000 medewerkers in dienst Ca 6500 fysici en technici komen jaarlijks op CERN Rondleidingen (1/2 dag) gedurende de hele week Vooraf aanmelden verplicht ( Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 24

25 Bernini mysterie op CERN? Rolf Landua stond model voor Leonardo Vetra Geen supersonisch vliegtuig Geen onbegrensde budgetten etc. Geen ultraluxe staf appartementen Hoofdgebouw als een kathedraal: niet op CERN maar op Fermilab (Chicago) Wel superversneller onder de grond Faciliteit om antimaterie te maken Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 25

26 CERN film Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 26

27 Nationaal Instituut voor Kern- en Hoge-Energie Fysica, Amsterdam Watergraafsmeer Ca 200 medewerkers Samenwerkingsverband van Stichting FOM Universiteit van Amsterdam Vrije Universiteit Radboud Universiteit Nijmegen Universiteit Utrecht Neemt deel aan 7 experimenten w.o. ATLAS Open dag op zaterdag 22 oktober a.s. Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 27

28 Deelname aan ATLAS Muon detector Semi-Conductor Tracker (SCT) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 28

29 Relativiteit Grondslag: de lichtsnelheid is voor iedereen gelijk ( km/s) De ether bestaat niet Iemand in een rijdende trein meet dezelfde lichtsnelheid als iemand op de grond => er bestaat in het heelal geen absoluut rustpunt Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 29

30 Tijdwaarneming De tijd is afhankelijk van de snelheid Iemand op de grond ziet een klok in een rijdende trein langzamer lopen Maar voor iemand in die trein loopt de klok helemaal niet langzamer t / T = 1/ 1 v 2 c 2 v is de snelheid van de trein c is de lichtsnelheid t is de tijd op de grond T is de tijd in de trein Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 30

31 Lengtewaarneming Hetzelfde verband geldt ook voor lengte De trein wordt vanaf de grond kleiner waargenomen l / L = 1/ 1 v 2 c 2 v is de snelheid van de trein c is de lichtsnelheid l is de lengte gezien op de grond L is de lengte gezien in de trein Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 31

32 Massa De lichtsnelheid kan niet worden overtroffen Een voorwerp wordt zwaarder gezien naarmate het sneller beweegt Dagelijks waargenomen in deeltjesversnellers Als we het deeltje harder proberen te laten lopen wordt het alleen maar zwaarder Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 32

33 Wat merken we hiervan? In het dagelijks leven is de relativiteit nauwelijks waarneembaar Stel ik reis met v = 1000 km per uur (vliegtuig) => na een vliegreis van 10 uur loopt mijn horloge 1.5 x 10-9 s achter, anderhalf miljardste seconde t / T = 1/ 1 v 2 c 2 Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 33

34 Equivalentie energie en massa Massa is een vorm van gestolde energie Energie heeft ook massa E = m.c 2 Voorbeeld: 1 kg materie komt overeen met ongeveer 9 x J = 25 miljard kwh, jaarverbruik van ca 10 miljoen huishoudens Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 34

35 Kwantummechanica: dualisme van licht Licht gedraagt zich soms als een golfverschijnsel, dan weer als een stroom deeltjes Modellen ontleend aan de zichtbare wereld om ons heen zijn niet meer bruikbaar op microscopische schaal Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 35

36 Zandkorrels vallen door twee spleten Er ontstaan twee hoopjes zand Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 36

37 Interferentie van golven Golven in water De golven worden doorgelaten door twee openingen De golven uit de openingen worden bij elkaar opgeteld Op sommige plaatsen een hogere golf, op andere plaatsen blijft er geen golf over => interferentie Twee spleten Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 37

38 Interferentie met licht Met licht is er ook een interferentiepatroon => licht is dus een golfverschijnsel Maar licht nemen we waar als deeltjes, wat gebeurt als we het licht gaan verzwakken tot bv 1 foton per seconde? => interferentie-patroon blijft bestaan, dus ook het licht van 1 foton per seconde is nog steeds een golf Twee spleten Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 38

39 Interferentie met atomen Enkele atomen komen schijnbaar willekeurig aan op de trefplaat Bij grotere aantallen wordt geleidelijk aan een structuur zichtbaar Werkt ook met Buckyballs C 60 molecuul Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 39

40 Kwantummechanische beschrijving Volgens de kwantummechanica kunnen we alles, elementaire deeltjes, atomen en moleculen beschrijven als een elektromagnetische golf Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 40

41 Waarom werkt dit niet met zand? Planck golflengte is te klein Stel de massa van een zandkorrel = 1 mg => energie E = 9 x 10 9 J volgens E = m c 2 => Planck golflengte = 2.2 x m => om een interferentiepatroon met een structuur van 1 cm te zien tussen twee spleten 5 cm uit elkaar, moeten we de trefplaat 2.4 x lichtjaar ver weg plaatsen, zo n 200 miljoen maal de afmeting van het heelal Werkt alleen bij identieke zandkorrels Zandkorrels zijn onderling verschillend, hebben elk een identiteit Moleculen, atomen, elementaire deeltjes NIET 2.4 x lichtjaar Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 41

42 Interferentie met atomen We mogen niet waarnemen hoe het atoom de spleten passeert (Bohr) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 42

43 Superpositie (optelling) van mogelijkheden Het atoom kan zowel linksals rechtsaf gaan Het resultaat aan het eind is de optelling van die beide mogelijkheden Maar als we onderweg in één van beide armen kijken of het atoom er is dan is daarmee de toestand in de andere arm ook vastgelegd Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 43

44 Illustratie van superpositie van De tekening hiernaast kan je als een vaas zien maar ook als twee gezichten, alleen niet gelijktijdig De tekening is een superpositie van een vaas en van twee gezichten (Heeft niets te maken met kwantummechanica, alleen met de werking van het menselijk oog) toestanden Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 44

45 Illustratie van superpositie van In de tekening hiernaast zie je sommige cirkels zwart, maar alleen als je er niet naar kijkt Er is een superpostie van witte en zwarte cirkels (Heeft niets te maken met kwantummechanica, alleen met de werking van het menselijk oog) toestanden Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 45

46 Onzekerheidsrelatie van Heisenberg E t = h (h = 1.05 x 10-34, E = energie, t = tijd) Fundamentele vergelijking in de kwantummechanica Het is niet mogelijk om op een specifiek tijdstip een exacte energie te kennen Fundamentele onzekerheid: de natuur gedraagt zich niet als een goed gedefinieerd uurwerk Het is niet mogelijk de toekomst exact te voorspellen, => het toeval is onvermijdelijk Ermee verbonden: p x = h (onzekerheid in impuls en plaats) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 46

47 Onzekerheidsrelatie van Heisenberg E x t = h Het gaat hier wel om een onzekerheid van energie over een heel korte tijd Voorbeeld: neem een onzekerheid van 10 6 ev, dan geldt die gedurende 6.6 x s. In die tijd legt licht ongeveer 2 x m af, gelijk aan 1/500 van de diameter van een atoom 10 6 ev is ongeveer de energie die nodig is om een electron/positron paar te vormen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 47

48 Onzekerheidsrelatie van Heisenberg E x t = h Maar let op: de onzekerheidsrelatie geldt ook in het echte vacuüm waar geen energie aanwezig is Nu is 10 6 ev ook de energie om een elektron/positron paar te maken In het vacuüm worden dus voortdurend elektron/positron paren gemaakt en na heel korte tijd weer vernietigd Het vacuüm heeft dus energie en massa Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 48

49 Illustratie van kwantumfluctuaties Wat globaal gezien heel stabiel lijkt is bij zeer gedetailleerde beschouwing sterk in beweging Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 49

50 Teletransport? Een exacte kopie maken is onmogelijk omdat we de toestand van een systeem met beperkte nauwkeurigheid kunnen meten Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 50

51 Maar: Teletransport niet a-priori onmogelijk Het voorwerp links wordt gescand met de twee fotonen van een elektron/positron paar Dit is destructief, het linkervoorwerp gaat hierbij verloren Maar met de scaninformatie kan een exacte kopie rechts worden opgebouwd Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 51

52 ATLAS film Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 52

53 Opbouw van de materie Griekenland Aristoteles: 4 elementen Aarde, lucht, vuur, water China Pinyin WU XING: 5 elementen Aarde, hout, metaal, vuur, water India Ishvarakrsna (3e eeuw na C): 5 elementen Ruimte, lucht, vuur, water, aarde Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 53

54 Alchemie Aristoteles De verhouding: heet/droog koud/nat bepaalt element. Verandering van de verhouding muteert een element (lood) in een ander (goud). Lood Goud Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 54

55 AÑAäA iââü I. Verbranding van flogiston rijk hout Flogiston verrijkte lucht Flogiston arme as Stahl ( ) Becher ( ?) II. Verhitting van flogiston arme erts Flogiston rijk metaal III. Roesten van flogiston rijk metaal Flogiston verrijkte lucht Flogiston arme erts Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 55

56 Boyle Experiment Theorie Boyle ( ) Elementaire stoffen: niet ontleedbaar Samengestelde stoffen: te ontleden in 2 andere stoffen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 56

57 Zuren & Basen Zuren Basen Boyle Experiment Deeltjes (volgens Boyle wellicht onmogelijk ooit doortedringen tot de kleinste bouwstenen!) Azijnzuur in azijn Melkzuur in bedorven melk Citroenzuur in citroenen Boterzuur in ranzige boter Lakmoes kleurt rood Boyle (1661) Slippery gevoel Zuur verzwakt werking Lakmoes kleurt blauw Zuurgraad Fred Hartjes, Elementaire meting deeltjesm.b.v. lakmoes papier 57

58 Volume: V Wet van Boyle P V=constant Boyle s laboratorium Druk: P P = 1 bar V = 4 liter P = 2 bar V = 2 liter P = 4 bar V = 1 liter Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 58

59 Priestley muizen en kaarsen verpesten lucht Boyle ( ) Priestley ( ) groene planten verfrissen lucht Lucht geen elementaire bouwsteen! Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 59

60 Lavoisier Behoud van Massa In chemische reacties blijft de hoeveelheid massa constant Boyle ( ) Priestley ( ) Lavoisier ( ) Flogiston geen elementaire bouwsteen! Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 60

61 Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 61

62 Gay-Lussac Gewichtsverhoudingen N 2 O 2 Volumeverhoudingen Geheeltallige verhoudingen In N 2 O chemische 63.3% reacties 36.7% tussen N 2 Ogassen 2/3 verhouden 1/3 gasvolumes zich als gehele getallen NO 44.1% 55.9% NO 1/2 1/2 NO % 70.5% NO 2 1/3 2/3 N 2 O 2 Boyle ( ) Lavoisier ( ) Priestley ( ) Gay-Lussac ( ) Water geen elementaire bouwsteen! Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 62

63 Gay-Lussac torens Gay-Lussac gebruikte zijn kennis o.a. om een efficiënt en millieu bewuste procedure te ontwikkelen voor de bereiding van zwavelzuur! { { oude procedure 6KNO 3 (s)+7s(s) 3K 2 S(s)+6NO(g)+4SO 3 (g) SO 3 (g)+h 2 O(l) H 2 SO 4 (aq) Gay-Lussac s modificatie 4NO(g)+O Fred Hartjes, Elementaire 2 (g)+2h deeltjes 2 O(l) 4HNO 2 (l) 63 4HNO 2 (l)+2so 2 (g) 2H 2 SO 4 (aq)+4no(g)

64 Dalton Atomen (1803) Alle materie bestaat uit atomen Atomen kunnen niet gemaakt of vernietigd worden Ieder element kent een eigen uniek type atoom Alle atomen van éénzelfde element zijn identiek Chemische reacties herschikken bindingen tussen de atomen onderling Boyle ( ) Lavoisier ( ) Priestley ( ) Gay-Lussac ( ) Dalton ( ) H i.p.v. H 2 O i.p.v. O 2 N i.p.v. N 2 HO i.p.v. H 2 O massa s t.o.v. waterstof ( 1) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 64

65 Periodiek systeem van elementen (Mendeleev,1869) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 65

66 Atomen Atoom werd gevonden als de kleinste bouwsteen Thomson: ontdekking elektron Atoom bevatte elektronen Rutherford: plumpudding model Oliebolmodel? Elektronen nog op willekeurige wijze over het atoom verdeeld Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 66

67 Waterstof atoom Bestaat uit een kern van één proton waaromheen één elektron draait Het elektron kan door toedienen van energie naar een wijdere baan worden gebracht Na korte tijd valt het elektron weer terug onder uitzenden van een foton Het elektron kan zich alleen in bepaalde banen bevinden Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 67

68 C:\FRANK\Physics2000\Physics 2000\Phys2000\index.html Bohr s atoom model 13.6 = n En 2 ev n = n=3 n=2 n=1 Balmer serie Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 68

69 Samenstelling atoomkern De kern bestaat uit positief geladen protonen en ongeladen neutronen De meeste kernen hebben ongeveer evenveel protonen als neutronen Om de kern draaien altijd evenveel electronen als er protonen in de kern zijn => het atoom heeft geen elektrische lading Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 69

70 Ontdekking van de quarks m m m <10-19 m m Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 70

71 Overzicht van de structuur van fermionen Drie families van quarks Up/down Strange/charm Top/bottom Iedere quark heeft een kleur eigenschap Rood Groen Blauw Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 71

72 Overzicht van de structuur van fermionen Drie families van leptonen elektron; elektron neutrino muon; muon neutrino tau; tau neutrino Neutrino s (spookdeeltjes) zijn (nagenoeg) massaloos en hebben vrijwel geen interactie met de andere materie Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 72

73 Familie portret fundamentele deeltjes (1 MeV kg) m [MeV] ν e e u u u d d d m [MeV] m [MeV] q = ν µ ν 00 0 I II τ III q 106 = e µ 1777 τ 2 q1250 = + ce c c t t t = se s s 4200 b b b q 3 Rood Geel Blauw Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 73

74 Neutrino s komen in grote getale van de zon Fusie van vier waterstof kernen tot helium kern Ca 1% van de massa wordt hierbij in energie omgezet Wij worden voortdurend door zonne-neutrino s gebombardeerd 5 miljoen per seconde op iedere vierkante cm Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 74

75 Effect van neutrino massa adding hot neutrino dark matter erases small structure m ν = 0 ev m ν = 1 ev m ν = 7 ev m ν = 4 ev Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 75

76 Materie en anti-materie Stel materie is wit, dan is antimaterie zwart Antimaterie is het complement van materie Analogie met kleurenleer Als ik geel wegneem uit wit licht dan houd ik anti-geel (= blauw) over Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 76

77 Materie Massaloze & lichtdeeltje anti-materie γ levert opeens: γ e + e massief elektron e & E=mc 2 massief positron e + (=anti-elektron) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 77

78 Annihilatie bij materie antimaterie interactie Als uit ongestructureerde energie (bv kinetische energie) een bepaald deeltje ontstaat dan moet zijn antideeltje ook ontstaan Als dit deeltje weer met zijn antideeltje in contact breng dan houd ik ongestructureerde energie (bv elektromagnetische straling) over Voorbeeld: annihilatie van elektron/positron Nb: de quark-antiquark paren in het meson annihileren niet Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 78

79 Familie portret fundamentele anti-deeltjes Recept: lading q q kleur anti-kleur rest (massa, spin, ) blijft onveranderd ν e e ν µ µ ν τ I II III τ u u u d d d c c c t t t s s s b b b Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 79

80 Quark-structuur van baryonen Hadronen (links) Hadronen bestaan uit drie quarks van verschillende kleuren In totaal ca 120 verschillende hadronen gevonden Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 80

81 Quark-structuur van baryonen Mesonen In totaal ca 140 verschillende mesonen gevonden Mesonen bestaan uit twee quarks van gelijke kleur waarvan steeds één een antideeltje is Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 81

82 4 kracht deeltjes γ foton G gluon Z boson W boson Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 82

83 K + p K + π + K 0 Λ 0 π 0 K 0 π + π - Λ 0 π - p π 0 γ 1 γ 2 γ 12 e + e - Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 83

84 Voorbeeld: verval van het neutron naar het proton Overgang down quark naar up quark Omgekeerde reactie: verval van het proton naar het neutron komt ook voor Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 84

85 Protonen bestaan uit twee up quarks en één down quark Neutronen bestaan uit twee down quarks en één up quark Gluonen houden de quarks bij elkaar in het proton/neutron Mesonen houden de protonen /neutronen bij elkaar in de kern Helium atoom Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 85

86 Helium atoom Bestaat uit twee protonen, twee neutronen en twee elektronen Niet op schaal getekend Stel je de protonen en neutronen voor als 1 cm groot dan zijn de elektronen en quarks ongeveer 0.01 mm groot is het atoom enkele honderden meters groot Het atoom bestaat dus nagenoeg geheel uit lege ruimte Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 86

87 Atoomkern up down Bestaat uit quarks (up, down), gluonen en mesonen gluon meson Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 87

88 Modern Periodiek Systeem: SU(3) quarks d s u sdd Elektrische lading e Deze deeltjes zijn te begrijpen als triplets van drie elementaire deeltjes: uds quarks. ddu n p Σ Σ 0 Σ + ssd sdu duu ssu suu ddd ddu duu uuu sdd Σ* ssd Σ* 0 Σ* + Ξ* Ξ* 0 Ξ Ξ 0 Ω Ω sdu sss ssu suu productie Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 88

89 Kunnen we vrije quarks zien? Het verwijderen van een quark uit een proton kost zoveel energie dat daarmee een nieuw quark/antiquark paar kan worden gemaakt (bijvoorbeeld een pion) => de massa van het proton zit voornamelijk in de gluonen, niet in de quarks Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 89

90 Powers of 10 Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 90

91 Oerknal Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 91

92 Bestaan van: donkere materie De rest? massieve neutrino s? Rotatie snelheid van de spiraal armen klopt niet met de aanwezige (zichtbare) massa. Er moet extra ( dark matter ) aanwezig zijn! nieuwe (zware) deeltjes? magnetische monopolen? Higgs gerelateerd? afstand tot centrum rotatie snelheid Kwantitatief: wij kennen ongeveer 5% Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 92 van wat zich bevindt in het Universum!

93 oeveel: donkere materie? sterren inter-stellair H & He 4% neutrino s 0.3% 0.5% ν e ν µ ν τ donkere materie zware elementen 0.03% 25% donkere energie 70% Dit is revolutionair; vergelijkbaar met ideeën van Copernicus over relatieve Aarde-Zon beweging in 15 e eeuw! Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 93

94 Waarom is het bestaan van donkere materie belangrijk? Bepaalt toekomst van het heelal Het heelal zet steeds sneller uit Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 94

95 Where to search for Dark Matter? Concentrations at the centres of the Sun and/or Earth? Halo of the galaxy: ρ ~ 0.3 GeV / cm 3, v ~ 300 km / sec Spike around Black Hole at Galactic Centre? Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 95

96 Nevelkamer Geladen elementaire deeltjes laten een ionisatiespoor achter Dit ionisatiespoor dient als condensatiekern voor een oververzadigde damp van isopropanol Detectie van alle geladen deeltjes maar vooral radioactief verval In de film wordt een gaskousje met het radioactieve element Thorium in de nevelkamer gebracht De sporen zijn afkomst van alfa deeltjes (helium kernen) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 96

97 Vonkenkamer Detectie van kosmische deeltjes Wanneer een kosmisch deeltje door beide scintilatoren gaat wordt de hoogspanning aangezet Het (geladen) deeltje laat in het gas van de vonkenkamer een spoor van ionen en vrije electronen achter Onder invloed van hoogspanning ontwikkelt de ionisatie zich tot een vonk scintilator (geeft lichtflits) gelijktijdigheid? Hoogspanningsvoeding Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 97

98 Kosmische deeltjes op aarde Hoogenergetische geladen deeltjes (elektronen, protonen) bombarderen voortdurend de aarde Afkomstig van de zon of van gebeurtenissen ver in het heelal (soms zeer hoge energie) In de aardse atmosfeer botsen ze op kernen van gasmoleculen waarna soms een lawine van nieuwe deeltjes ontstaat, vooral muonen Op dit moment gaan er enkele honderden kosmische deeltjes (protonen, muonen) per seconde door ons heen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 98

99 Fractals Theoretici hopen uiteindelijk met een relatief simpel systeem van formules de opbouw van het universum te verklaren Hier een illustratie hoe met een wiskundige formule een zeer complexe wereld kan worden geschapen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 99

100 Nieuwe theorieen (onbewezen) Snaartheorie Supersymmetrie CP schending Afwijkingen van de zwaartekracht Mini zwarte gaten Gravitonen? Magnetische monopool Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 100

101 Snaartheorie Deeltjes zijn in feite kleine trillende snaren De trilfrequentie bepaalt het type deeltje Tachionen => nu verworpen Probeert correlatie tussen kwantum-mechanica, relativiteit en gravitatie te leggen Snaartheorie werkt met aanvullende kleine dimensies en membranen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 101

102 Supersymmetry (SUSY) Elk fundamenteel materie-deeltje heeft een "schaduw"-deeltje of super-partner, een krachtvoerend deeltje met veel massa, Dit geldt ook voor de krachtdeeltjes quark => "squark foton => "fotino" neutrino => neutralino : verklaring voor donkere materie? Nieuwe doorbraak met data van de LHC? Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 102

103 Glue balls Omdat gluonen ook elkaar aantrekken zou ook een hadron mogelijk zijn bestaande uit alleen drie gluonen De massa zou in de buurt van die van het proton moeten liggen (de up en down quarks hebben vrijwel geen massa) LHC? Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 103

104 CP schending 2005 Bij de oerknal is bij het creëren van materie uit energie evenveel antimaterie gemaakt Waar is die antimaterie dan gebleven? AMS: detector in de ruimte om naar antimaterie te zoeken Andere oplossing: er bestaat een zeer kleine asymmetrie bij het creëren van materie uit energie Zeer lastig aan te tonen: komt de asymmetrie niet van de detector? Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 104

105 Is de zwaartekracht echt wel zoveel zwakker dan de andere 3 natuurkrachten? Binnen atoom/nucleus zijn alle krachten (behalve gravitatie) ongeveer even sterk zwaartekracht ~10 40 keer zo klein Nieuwe theorie: zwaartekracht is even sterk als andere krachten, maar lijkt alleen zwak door de aanwezigheid van extra ruimte dimensies Rond de m is gravitatie net zo sterk als de andere 3 krachten gevoeligheid over 2 jaar (LHC) voorspelt gravitonen en zwarte gaten Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 105

106 Sterkte quantum theoriëen sterke kernkracht Standaard Model onzeker > 1 TeV De 3+1 natuurkrachten zwakke kernkracht gravitatie geen quantum theorie string theorie? ~10 40 electromagnetische kracht 1 ~ r 2 Energie (GeV) afstand -1 Electrozwakke schaal Planck schaal 100 GeV ~10-18 m GeV ~ m Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 106

107 Modellen met extra dimensies 4 dimensies V (r) ~ 4+n dimensies 1 m1m2 V ( r ) ~ 2+ n n +1 MD r 1 m1m2 M 2PL r r << M D De gravitatie veldlijnen strekken zich uit in het grote 4+n dimensionale volume M 2 PL 1019 GeV ~ m =M 2+ n n D r 103 GeV ~ m Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 107

108 Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 108

109 Magnetische monopolen Voorspelling volgens Dirac theorie Signaal 68.5 maal zo sterk als van een proton Kan worden geproduceerd in het magnetische veld van sommige melkwegstelsels (tot aan GeV) Voorspelling van de massa: GeV Referentie: proton = 1 GeV Monopolen met een massa van 10 8 GeV kunnen door de aarde heen bewegen Bestaan van de magnetische monopool kan de elektronlading verklaren Wellicht bij de LHC? Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 109

110 Hoe versnellen we deeltjes voor een experiment? Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 110

111 Protonen worden met de LHC versneld tot een energie van 7000GeV; de versneller ligt ca 100m onder de grond, in een tunnel met een omtrek van 27 km.de protonen worden in hun baan gehouden door 1200 dipoolmagneten en 400 quadrupool magneten, alle supergeleidend! Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 111

112 Het tracé van de toekomstige Large Hadron Collider (LHC) Omtrek 27 km m onder de grond Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 112

113 De LHC wordt op 2007 operationeel Energie: 7 TeV (7 biljoen electron volt) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 113

114 Juni 2005 Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 114

115 Ligging van LHC in het landschap Hoogtekaart Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 115

116 Opbouw een experiment in de huidige deeltjesfysica Drie elementen De tracker waarmee de banen van de deeltjes worden gemeten De calorimeter waarin de deeltjes al hun energie verliezen De muondetector waarmee de energie van de overblijvende muonen wordt gemeten Verder één of meer krachtige magneten om de banen van de deeltjes af te buigen Kleine kromming => hoge massa (energie) Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 116

117 Length Diameter Weight Electronic Channels ~150 institutions ~1800 physicists 44 m 22 m ~7000 t 108 A Toroidal LHC ApparatuS Cost: ~450 MCHF Tracking ( η <2.5, B=2T) Silicon Pixel Silicon Strips Transition radiation tracker (e/π separation) Calorimeter ( η <5) EM: Pb-LAr Had: Fe/scintillator Fred Hartjes, Elementaire deeltjes Muon spectrometer ( η <2.7) Large Air-core toroids with muon chambers 117

118 Het massa mysterie: Higgs deeltje 25 proton-proton interacties/bunch-bunch crossing 40,000,000 bunch-bunch crossings/seconde 10,000,000 seconden/(versneller) jaar 10,000,000,000,000,000 proton-proton interacties speld in de hooiberg! Fred Hartjes, Elementaire deeltjes Higgs kandidaten/jaar! geselekteerde

119 De schaal van ATLAS Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 119

120 Simulatie van een meting met ATLAS Voorbeeld: het verval van de Higgs boson in vier muonen Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 120

121 De opbouw van ATLAS December 2004 Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 121

122 13 september september 2005 Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 122

123 Wachten op de uitkomsten van de LHC Higgs boson? Magnetische monopool? Graviton? Super symmetrie? Waarom drie families? Fred Hartjes, Elementaire deeltjes 123