Week-end van de wetenschap, Groningen, 6 oktober 2013 Ivo van Vulpen

Transcriptie

1 Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur Week-end van de wetenschap, Groningen, 6 oktober 2013 Ivo van Vulpen

2 CERN in Genève, Zwitserland

3 Deeltjesfysica m atoom kern Wat zijn de bouwstenen van de dingen om ons heen?

4 Het grootste en het kleinste volgens mijn dochter van 3 volgens haar vader Olifant Klein muisje Grootst Kleinst m 10-9 m

5 Wat zijn de spelregels? 5/55

6 Röntgen foto Het zichtbaar maken van (niet-)afgeketste deeltjes

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

8 Van wat naar hoe oogkleur ouders en kind pa ma kans op oogkleur baby =? DNA: GTCA-nucleotiden

9 De atoomwereld: nieuwe fenomenen

10 Klassieke mechanica maan We begrijpen waarom de maan om de aarde draait ISS v 1 r ISS: 400 km = km/uur 10/55

11 satelliet (pioneer/iss)

12 Klassieke mechanica Quantummechanica maan v 1 r atoom km/uur ISS km/uur [m] [m]

13 De atoomwereld 1) De elektronen vallen niet op de kern - electron 2) De kerndeeltjes kleven aan elkaar + kern 3) Maar 2 electronen in de 1 e baan

14 Quantummechanica nuttig? Quantummechanica Niels Bohr Quantum mechanica en begrip van atomen cruciaal voor transitors.

15 Hoe brandt de zon Kernkrachten nuttig? ITER (fusieractor) 15/55

16 Relativiteitstheorie? Net zo raar en onlogisch als de quantummechanica - tijd gaat langzamer als je hard beweegt - tjd gaat sneller als je verder weg bent van de aarde Zonder relativiteitstheorie zit de GPS er 10 km per dag naast!

17 De stand van zaken op 6 oktober pdg.lbl.gov

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

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

20 Deeltjes Quarks Leptonen 1) Electromagnetisme 2) Zwakke kernkracht 3) Sterke kernkracht 4) Zwaartekracht Krachten Anti-deeltjes Anti- Quarks Anti- Leptonen muon 20/55

21 Abstrac(e en patronen vinden Standaard Model Lagrangiaan SU(2) L U(1) Y SU(3) C Bladmuziek (J.S. Bach) bladmuziek

22 Nieuwe fenomenen, nieuwe krachten?? Verfijnen Nieuwe krachten? 2 krachten Newton/Maxwell 2 krachten Einstein/ Bohr 4 krachten Standaard Model m m m

23 deeltjes anti-deeltjes Het Standaard Model

24 Higgs boson Het laatste puzzelstukje

25 Theorie Realiteit Het Comes at Standaard a price: extra smodel: calar pardcle U(1) SU(3) SU(2) L Y C + THiggs he Higgs boson boson: = Het Higgs mechanisme Deeltjes hebben geen massa Deeltjes hebben wel massa Higgs veld in het vacuum Als ik gelijk heb moet er ook een nieuw deeltje bestaan: het Higgs boson 25/55 - September

26 Albert Einstein

27

28 Nieuwe deeltjes maken De Large Hadron Collider (LHC) op CERN bij Genève

29

30 Energie 1 proton (LHC) Energie LHC bundel 3000 x protonen Bundel 2 Doorsnede LHC bundelpijp Bundel 1 30/55

31 40 miljoen botsingen per seconde Bundel 1 Bundel 2

32 Klassiek botsen proton Quantummechanisch botsen proton

33 Wat verwacht je? Klopt het? Inderdaad nieuwe deeltjes?

34

35 Onze fototoestellen 35/55

36 foto van een echte botsing muon muon

37 Zo groot als het paleis op de dam

38 Waarom is die ATLAS detector nou zo complex? deeltje

39 Konijn, auto of mens?

40 De Atlas pixel detector 80 MegaPixel camera foto s per seconde 40/55

41 Medische toepassingen medipix Normale CT scan ~ 200 Röntgen foto s

42 Kleinere pixel grootte: 1 mm 50 µm CT scan of a (spiering) of 2.4 cm length using MedPix Toekomst: kleuren-xrays Toepassing: minder X-rays voor zelfde resolutie

43 1 miljard foto s per seconde (40 miljoen x 20 botsingen)

44 Computing Lastig: Per seconde: - 1 miljard botsingen (foto s) - je mag er maar 200 bewaren (diskruimte) Big data: 15 Peta Bytes en 100,00 CPU s

45 het echte werk! 45/55

46 muon muon muon muon Botsing met 4 muonen Echte LHC-botsing Higgs boson kandidaat als de Higgs niet bestaat als de Higgs wel bestaat

47 Kijk hier (m h = 125 GeV)

48 4 juli 2012: feest!! Dinsdag 8 oktober 11:45 uur bekendmaking Nobelprijs natuurkunde

49 5 juli 2012: wat nu?

50 Wat snappen we nog niet: 50/55

51

52 0% ANTI MATTER Wat is de donkere materie?

53 deeltjes anti-deeltjes supersymmetrische-deeltjes

54 Donkere Materie zelf maken Theoretisch idee: Supersymmetrie: deeltjes Anti-deeltjes Lichtste is donkere materie deeltje? Maak ze bij de LHC! Super-symmetrie: elk deeltje heeft een zwaar broertje

55 deeltjes anti-deeltjes Natuurkunde Spin-off De natuur zit vol vreemde spelregels Slimme jonge mensen voor de industrie Het Higgs boson bestaat Computing, sensors, versnellers Schitterend avontuur de komende jaren! Wat is donkere materie / energie? Medische apparatuur Waarom is de zwaartekracht zo raar? avontuur Ivo.van.Vulpen@nikhef.nl

56 BACKUP

57 Relativiteitstheorie

58 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?

59 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 Waarom: geen idee! Consequenties: Ruimte en tijd verbonden, gelijktijdigheid niet uniek gedefiniëerd, Speciale/algemene relativiteitstheorie: tijd langzamer in een gravitatieveld.

60 Relativiteitstheorie nuttig? Relativiteitstheorie? Zonder relativiteitstheorie zit de GPS er 10 km per dag naast!

61 Kijken zonder je ogen te gebruiken

62 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

63 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. Hoe meer energie hoe kleiner microscoop voor zeer kleine afstanden: - klein: elektronen microscoop - kleinst: protonen micsoscoop

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

65 Situatie 1?? Situatie 2??

66 Situatie 1? Situatie 2?

67 Experiment 3? Quantum-model Einstein: E=mc 2 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

68