CERN, de LHC en Het Heelal. Aart Heijboer (CERN)

Transcriptie

1 CERN, de LHC en Het Heelal Aart Heijboer (CERN)

2 Plan: Waarom deeltjesfysica en grote versnellers Wat weten we al Wat willen we nog meer weten CERN & de LHC Waarom zo groot/duur Wat komt er bij kijken Wat hopen we te vinden Bonus: De andere kant op: Sterrekunde met deeltjes.

3 Deeltjesfysica: Waaruit bestaat de wereld? Elektron: elementair deeltje lading = 1 Atoomkern m E 10 9 m

4 Atoom zo groot als Arena, dan is de kern een zandcorrel op de middenstip (0.1mm) De rest... is leeg.

5 Down Quark Up Quark Neutron E Proton Up Quark m

6 Elementaire deeltjes Quarks up Leptons Bouwstenen van atomen. elektron down neutrino Alles wat we nodig hebben voor alle materie die we kennen:

7 Elementaire deeltjes Quarks up Leptons Bouwstenen van atomen. elektron Het elektron bleek een zwaarder broertje te hebben. Ontdekt in 1936 in Kosmische straling. down muon neutrino 'Who ordered that?' I. Rabbi

8 De atmospheer van de Aarde wordt voortdurend bestookt deeltjes uit het heelal. hoge energie waar vandaan weten we niet zeker(!)

9 Deeltjes kun laten buigen met een magneetveld als ze elektrische hebben, tenminste linksom/rechtsom voor positief/negatief geladen deeltjes hoeveelheid buiging hangt af van massa en impuls

10 De vonkenkamer V electron 0V V 0V

11 The Physical Review, 1937 Deeltjes uit Kosmische straling leren ons over hoe de natuur in elkaar zit.

12 Quarks up charm top down strange bottom Leptons Elementaire deeltjes elektron muon tau lepton elektron neutrino muon neutrino tau neutrino licht zwaar Alle deeltjes experimenteel aangetoond waarom 3? zijn er meer?

13 Leptons Quarks Spiegelwereld up anti up down anti down charm anti charm top strange anti strange bottom anti bottom anti top tau lepton elektron muon anti tau lepton positron anti muon elektron muon neutrino tau neutrino (anti) neutrino (anti) (anti) tau elektron neutrino muon neutrino neutrino Voor elk deeltje met positieve elektrishe lading, is er een identieke partner met negatieve lading... met dezelde natuurwetten! Het Positron (= anti electron) voorspeld door theorie (Dirac)! positron ontdekt in kosmische straling (1932)

14

15 Het Standaardmodel van de deeltjesfysica een wiskundige beschrijving van alle deeltjes die we kennen en hun interacties up charm top down strange bottom elektron muon tau lepton elektron neutrino muon neutrino tau neutrino Elektro magnetische kracht Sterke Kernkracht Kracht deeltje: foton Kracht deeltje: foton Foton brengt de kracht over electron Zwakke Kernkracht Kracht deeltjes: W en Z bosonen electron

16 Unificatie Elektro magnetische wisselwerking elektron elektron elektron elektron Z boson foton elektron Zwakke wisselwerking elektron elektron Elektron neutrino elektron W boson elektron elektron Elektron neutrino Ziet er bijna hetzelfde uit. Eigenlijk hetzefde fenomeen: elektrozwakke kracht. Maar om een of andere reden is het foton massaloos en zijn de Z en W bosonen heel erg zwaar. De reden: het Higgs mechanisme.

17 Het 'Standaardmodel' van de deeltjesfysica Klopt geweldig goed... maar... Maar toch moet er meer aan de hand zijn...

18 Wat ontbreekt er aan het standaardmodel van de deeltjesfysica Waar komt massa vandaan? Bij mensen: nogal makkelijk Neutrino s Elektron Muon Tau Bij elementaire deeltjes: verassend moeilijk Higgs mechanisme kan deeltjes massa geven, maar waarom zijn ze zo verschillend? Het Higgs boson moet bestaan, maar is nog niet gevonden. Zwaartekracht Op deeltjesniveau hebben we geen beschijving van zwaartekracht. Waarom drie kopieen van alles?...of zijn het er nog meer? up,down, strange charm Top quark bottom

19 Klassiek botsen Quantummechanisch botsen proton proton nieuwe Materie maken uit Energie

20 Voorbeeld: De ontdekking van Top quarks E = Mc2 Top quark weegt 170 GeV Proton weegt maar 1 GeV De Tevatron versneller geeft ze een energie van 1000 GeV... ruim genoeg om een top en een anti top te maken. Top quark: voor het eerst gemaakt (en ontdekt) in 1995 door de Tevatron versneller bij Chicago. Mijn oude kantoor

21 proton proton Kwantummechanish botsen is een kansspel Elke botsing? Eens per 10 miljard botsingen is het pas echt interessant. Type deeltje dat gemaakt wordt Oplossing is 'eenvoudig'...

22 Heel erg vaak botsen

23 Graag een Deeltjesversneller Zo hoog mogelijke energie, zodat we zware, nog niet bekende, deeltjes kunnen maken. Heel veel botsingen per seconde, zodat we zeldzame processen kunnen bestuderen. En vlug een beetje Probleem: Sinterklaas heeft een beperkt budget

24 Cern en de Wereld Grote projecten zoals LHC alleen betaalbaar door internationale samenwerking CERN opgericht in 1954 door 12 europese landen; nu 20 LHC versneller: cruciale bijdrage uit Japan en VS. Aan de experimenten werken mensen van over de hele wereld. 85 nationaliteiten werken mee aan ex perimenten op Cern.

25

26 Cern en de Wereld Op het vliegveld van Geneve. Internationale samenwerking: het WWW Cern model gevolgd door andere vak gebieden

27 Hoe versnel je een deeltje?

28 Principe van een deeltjesversneller e 2 + Energie is nu 1 elektronvolt (ev) + e + 3 _ e Door het elektrisch veld op het goede moment om te draaien krijgt het deeltje telkens een zetje... +

29 Versnel sectie van de LHC Circulaire versneller: Goed idee; je hoeft niet steeds op nieuw te beginnen Versnel sectie kan elk rondje worden hetgebruikt ( keer per sec). Versnelde deeltjes hoeven 'alleen maar' de bocht om..

30 De CERN versneller-tunnel Uppsala 2000 Ivo van Vulpen 27 km lang, 100 m onder de grond 30

31 Circulaire proton versneller: Magneten Harder ze gaan, hoe moeilijker ze zijn af te buigen... Veel sterke magneten nodig Flauwe bochten, dus lange tunnel bepaalt de maximale energie Ultra high vacuum Supergeleidende magneten: ~12 ka T= 271oC

32 2005 In totaal 1232 blauwe dipool magneten

33

34

35 Een tunnel vol magneten

36 In totaal 9000 grote en kleine magneten Focusing magneet om bundels te laten botsen.

37

38

39 Large Hadron Collider 3000 bunches = elke 7 meter = 40 miljoen bunch crossings per seconde protonen in een 'bunch' Elk proton heeft een energie van 7000 GeV. Dat is ongeveer evenveel als een vliegende mug X 3000 x =

40 LHC is de meest energetische versneller ooit, maar de botsingsenergie is klein vergeleken bij kosmische straling. Geen kans op desastreuze zwarte gaten.

41 Zoekplaatje voor in de pauze: Vindt de twee grote mysteries voor de deeltjesfysica abel2218

42 Waar is de anti materie gebleven? Op het niveau van de natuurwetten: symmetrie, bijv: Levenduur muon: microseconde Levenduur anti muon: microseconde In het waarneembare heelal: alleen materie en geen anti materie

43 De Big Bang r 30 jaa e nd 01 co 00 se 00 d e 1 00 on 00 sec 0.

44 De Big Bang Vroeger = warmer = deeltjes botsten harder met elkaar Energieen waren zo hoog dat we de natuurwetten niet kennen LHC maakt botsingen zoals die in het allervroegste heelal ook plaatsvonden. Ergens moeten we een verschil vinden tussen de natuurwetten voor materie en die voor anti materie.

45 Gespecialiseerd experiment: LHCb Zoekt naar subtiele verschillen tussen het gedrag van materie en anti materie met b quarks. Grote bijdrage van Nederland

46 Donkere Materie Gravitational Lenzing: meet de hoveelheid materie door afbuiging van licht.

47 Donkere Materie 'the bullet cluster' Rose = heet gas (= de meeste 'gewone' materie) Blauw = waar de meeste massa zit.

48 Laatse 5 jaar: revolutie in Kosmologie idee Geen idee We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd

49 Donkere Materie Theoretisch idee: Supersymmetrie: Bij de LHC kunnen we deze super deeltjes produceren. En misschien wel donkere materie maken. proton proton Elk deeltje dat we kennen, heeft een (zwaar) broertje. Bedacht om theoretische redenen; geen bewijs.

50 De Detectoren 4 grote experimenten

51 het grootste fototoestel op aarde positie en impuls geladen deeltjes magneet muon detector magneet 2,000 fysici van 165 instituten uit 35 landen energie quark deeltjes energie elektronen en fotonen mens

52 Magneten voor de Atlas Muon Detector mens

53 + + + Muon Detector +

54 Muon Detector

55 het grootste fototoestel op aarde positie en impuls geladen deeltjes magneet muon detector magneet energie elektronen en fotonen energie quark deeltjes mens

56 Atlas TRT: dunnere buisjes, zelfde idee

57 het grootste fototoestel op aarde positie en impuls geladen deeltjes magneet muon detector magneet energie elektronen en fotonen energie quark deeltjes mens

58 Voor de allergrootste precisie: Siliciumdetectoren Afstand tussen detectie strips: 80 micron (letterlijk haardikte) Voor het eerst ook pixel detectoren mm 125 mm

59 De Atlas pixel detector 80 MegaPixel camera foto s per seconde

60 De Atlas SCT detector Foto in de cleanroom op het Nikhef (Amsterdam)

61 Juli 2003

62 2004 Uppsala 2000 Ivo van Vulpen 62

63 Uppsala 2000 Ivo van Vulpen 63

64 Uppsala 2000 Ivo van Vulpen 64

65 2005 Uppsala 2000 Ivo van Vulpen 65

66 2006 Uppsala 2000 Ivo van Vulpen 66

67 Uppsala 2000 Ivo van Vulpen 67

68

69 Probleem: teveel botsingen Donkere Materie?? Normaal electron muon 1 naald in 40 miljoen hooibergen.. per seconde!

70 Wat moet je met 40 Miljoen botsingen per seconde? botsingen / seconde Trigger: fase 1: slimme electronica fase 2: een hele rij computers Interesant genoeg? Nee Gooi weg Ja Bewaar de gegevens: 200 events per seconde, elk ongeveer 1.5 MB (1 cd aan data elke 2 sec). Data wordt verspreid over de wereld en geanaliseerd met computer farms

71 10 September 2008 Bundel protonen maakt zijn eerste rondjes.

72 10 September 2008: detectoren zien deeltjes uit de LHC bundel 1

73 19 September Lasfout in de supergeleidende draad tussen twee magneten. Helumgas lekt grote druk in de omhuizing van de magneten. Opwarmen Vervangen van magneten Afkoelen Winterstop in de lente weer opstarten.

74 We zijn er klaar voor We zijn er (meer dan) klaar voor: LHC versneller Detectoren 10 september 2008: bundel rond Nu problemen. Herstart zomer 2009 ATLAS detector klaar LHCb, ALICE, CMS ook Theorie Meer dan genoeg vragen meer dan genoeg ideeën/oplossingen

75 Sterrenkunde met deeltjes astro deeltjesfysica

76 Kosmische straling Deeltjesversnellers in de kosmos! Galaxy Supernova Remnants Extragalactic Solar System Active Galactic Nucleus Uppsala 2000 Active Galactic Nuclei Sun Gamma Ray Bursters m( x ul F) Ve G s2r s µ Quasar 1- Cygnus Ivo van Vulpen Energy (ev) 76

77 Astronomie met neutrinos γ + γ e+ e - Bending in magnatic fields; GZK: p + γ + π 0p, π Uppsala n Ivo van Vulpen 77

78 ANTARES detector ν µ µ W N X γ č 43 µ ν Uppsala 2000 Signature: Time an position of the Cherenkov Photons in 3d Sensor Matrix =>Reconstruction of μ track Ivo van Vulpen 78

79 p ANTARES detector µ 12 string ANTARES detector Buoy ν p Gerard van der Steenhoven 14.5 m 350 m 100 m ~60-75 m Uppsala 2000 Ivo van Vulpen Junction box Junction box 79

80

81

82

83

84 March 2, 2006

85

86