28 augustus 2012, Introductiecollege 1e jaars studenten UvA. Het Higgs boson. Ivo van Vulpen (UvA/Nikhef)

Transcriptie

1 28 augustus 2012, Introductiecollege 1e jaars studenten UvA Het Higgs boson Ivo van Vulpen (UvA/Nikhef)

2 VWO examen natuurkunde 2012 Tijdens de botsing ontstaan allerhande elementaire deeltjes. Hierbij hopen de wetenschappers het Higgs-deeltje te vinden.

3 Wie ben ik 1991 studie natuurkunde en sterrenkunde in Utrecht Ivo van Vulpen Eigen internet-bedrijf promotie bij Nikhef in de deeltjesfysica CERN (Geneve)? Conultancy/banking Docent bij de UvA Onderzoeker bij het Nikhef 1 e jaar: inleiding programmeren 2 e jaar: deeltjesfysica Master: Higgs mechanisme

4 Prof. dr. Einstein dr. Van Vulpen drs. Voets

5 observatie als leidraad en ideeeën versus wiskunde θ m slinger ruimte en tijd het atoom De wereld zit raar (en mooi) in elkaar. Komende tijd alle kennis opnemen.

6 de slinger E kin = 1 2 m ( l θ ) 2 E pot = mglcos( θ) Bewegingsvergelijking? Principe van minimale actie concept θ Klassieke mechanica hoe slingert een slinger? Euler-Lagrange vergelijking? d dt L L = 0 q i q i θ + g l sin(θ) = 0 Kleine hoeken θ<<1: θ = g l θ T = 2π θ(t) = θ 0 cos( l g g l t) Alle hoeken: T = 2π l g n =0 (2n)! (2 n n!) 2 2 θ sin 2n 0 2 wikipedia Maar: wrijving, gekoppelde slingers, veer, op een draaiende schijf, smeltend blokje ijs i.p.v balletje,

7 Klassieke mechanica Pioneer ruimtevaartuig Curiosity marslander

8 Quantum mechanica waarom valt een electron niet op de kern? r v mv 2 r = e2 r 2 Middelpuntzoekende kracht atoom electromagnetische kracht v = e 2 mr Baanimpulsmoment: L = mvr = e 2 mr Niels Bohr idee L is gequantiseerd L = n n=1,2,3,4,

9 Quantum mechanica waarom bestaat een atoom? L = n (n =1,2,3,...) r n = n 2 2 Ze 2 m e r 1 =a 0 = m Bohr radius atoom E n = 13.6 ev n 2 = m e e 4 2(4πε 0 ) n 2 Rydberg constante Fundamenteel anders gedrag van materie op de schaal van een atoom Consequenties: naast deeltje versus golf gedrag van materie ook transistoren (computers), kernenergie, quantum computing (Kouwenhoven), etc.

10 Rela<viteitstheorie structuur van <jd en ruimte De snelheid van een tennisbal en een lichtstraal gezien vanuit de ogen van een bewegende waarnemer Snelheid? v = [m/s] v = 20 [m/s] bal lichtstraal Hoe verandert dit als de waarnemer zelf beweegt?

11 relatieve snelheid bal lichtstraal v = [m/s] v = 20 [m/s] v = [m/s] v = 20 [m/s] v = -10 [m/s] v = [m/s] v = 20 [m/s] v = +10 [m/s] Albert Einstein Idee (en observatie) de snelheid van het licht is constant voor elke waarnemer Consequenties: Ruimte en tijd verbonden, gelijktijdigheid niet uniek gedefiniëerd, Speciale/algemene relativiteitstheorie: tijd langzamer in een gravitatieveld. TomTom

12 Deeltjesfysica m atoom kern De atoomkern en kleiner een totaal nieuwe wereld

13 De stand van zaken op 28 augustus pdg.lbl.gov

14 De elementaire deeltjes up down up up Proton down elektron + 4 natuurkrachten up down down Neutron

15 Wat kan je maken met deze 3 bouwstenen? periodiek systeem van Mendeleev Alles! Alles wat we nodig hebben! Edward Witten

16 bouwstenen van proton/neutron Deeltjes Krachten Quarks 1) Electromagnetisme 2) Zwakke kernkracht Leptons 3) Sterke kernkracht elektron muon neutrino Beschrijft alle fenomenen tot m

17 Paar kleine puntjes open: Hoe krijgen deeltjes massa? Waar is donkere materie van gemaakt? Waar is alle anti-materie gebleven? Volume van het heelal: (on)eindig? (Hoe) is de tijd begonnen? Waarom is elektrische lading gequantiseerd? Oplossing energievraagstukken Materiaaleigenschappen, quantumcomputing, Good Will Hunting

18 Bewegingsvergelijking van elementaire deeltjes Standaard Model Lagrangiaan Bladmuziek (J.S. Bach) bladmuziek

19 Het Higgs mechanisme De theorie: Massaloze kracht(deeltjes) in een lokale ijkinvariante theorie Comes at a price: extra scalar par8cle SU(2) The L U(1) Higgs Y SU(3) boson C De werkelijkheid: Massieve deeltjes en krachtdeeltjes

20 (In)famous Higgs boson Het Higgs boson Paris Hilton Beroemd en constant in het nieuws maar zijn ze belangrijk?

21 Het Higgs mechanisme De theorie: De werkelijkheid: Massaloze kracht(deeltjes) Comes at a price: extra scalar in een lokale ijkinvariante theorie par8cle Massieve deeltjes en krachtdeeltjes SU(2) U(1) SU(3)C TL he Higgs Y boson idee Er is een manier om deze 2 werelden te combineren. Dan moet er ook Higgs boson zijn - September

22 Het Amsterdam Science Park is meer dan alleen de UvA cwi Amolf Nikhef AUC FNWI FNWI Nikhef = Nationaal Instituut voor Subatomaire fysica 1e jaar: Stan Bentvelsen, Auke-Pieter Colijn, Ivo van Vulpen, Marcel Vreeswijk later: andere vakken en bachelor en master projecten

23 Deeltjesfysica m atoom kern Hoe bekijk je dingen op deze afstanden eigenlijk?

24 Kijken zonder je ogen te gebruiken

25 1] Kijken met licht Licht verstrooit aan objecten die groter zijn dan zijn golflengte Met je oog kan je niks zien dat kleiner is dan 10-6 m IR 10-6 m UV

26 1] Kijken met licht Licht verstrooit aan objecten die groter zijn dan zijn golflengte. IR UV Röntgen 10-6 m m Energie 2] Kijken met deeltjes Quantummechanica: deeltjes zijn golven microscoop voor zeer kleine afstanden: - klein: elektronen microscoop - kleinst: protonen micsoscoop De Broglie:

27 onbekend voorwerp achter een gordijn en 100 kogeltjes bovenaanzicht? Hoe ketsen de kogels af?

28 Situatie 1?? Situatie 2??

29 Situatie 1? Situatie 2?

30 Het zichtbaar maken van (niet-)afgeketste deeltjes Röntgen foto Het atoom, Rutherford scattering 6 MeV alfa deeltje: zeer korte golf Hypothese: dit bleek te kloppen

31 Rode bloedlichaampjes Mier 300 µm Borstkanker cel Microelectronisch systeem 80 µm

32 Situatie 3 Quantum-model en kernkrachten?? Je kan ook nieuwe deeltjes maken Kijken naar sub-atomaire structuren: 1) Kleine kogels maken: Deeltjesversneller 2) Berekenen wat je verwacht voor een hypothese: Theorie 3) Afgeketste deeltjes kunnen bekijken: Detector

33 De grootste microscoop op aarde de Large Hadron Collider (LHC) op CERN bij Genève

34 De Large hadron collider LHCb ATLAS CMS Alice

35

36 onze objecten en kogels: botsend protonen ons fototoestel bundel 1 bundel 2 40 miljoen botsingen per seconde Helaas maar 200 Hz bewaren Paleis op de dam

37 µ + µ -

38 Hoe bewijs je dat er een Z-deeltje bestaat? Afwijking van de voorspelling in een model zonder Higgs boson muon 2-muonen gezien in de ATLAS detector proton Z-deeltje? proton muon

39 2-muon invariante massa gewoon : geen structuur Z-boson: voornamelijk op 1 plek Number Aantal of kandidaten candidates gewoon Z-boson 2-muon invariante di-muon massa 2-muon invariante di-muon massa (GeV)

40 De massa van het Higgs boson Vingerafdruk: - piekje in 2 fotonen (redelijk makkelijk te zien) - piekje in 4 muonen (redelijk lastig te zien) Higgs boson mass (GeV) W/Z boson Goud atoom Alfa deeltje

41 Computersimulaties: 1) Er is geen Higgs boson # events 2-foton massa - geen structuur botsingen Geen structuur foton mass (GeV) 2) Extra Higgs boson - piekje - 40 extra botsingen # events 2-foton massa Peak Piekje 2-foton mass (GeV)

42 De resultaten van het ATLAS experiment - juli Higgs 2 fotonen Yes, een piekje!!! Zien we ook aanwijzingen in botsingen waar 4 muon deeltjes gemaakt zijn?

43 Higgs ZZ 4µ candidate

44 De resultaten van het ATLAS experiment - juli Higgs 2 fotonen Higgs 4 leptonen De kans dat je toevallig zo n excess krijgt in beide distributies als er niks nieuws zou zijn is ongeveer 1 op de miljard we hebben iets nieuws ontdekt!

45 Verwondering over de natuur: Hoe krijgen deeltjes massa Waar is donkere materie van gemaakt? Waar is alle anti-materie gebleven? Volume van het heelal: (on)eindig? (Hoe) is de tijd begonnen? Waarom is elektrische lading gequantiseerd? Oplossing energievraagstukken Materiaaleigenschappen, quantumcomputing, Heel veel plezier met alle natuur- en wiskunde de komende tijd