WGAS: 21/11/2013. Charles Ramsdonck

Transcriptie

1 WGAS: 21/11/2013 Charles Ramsdonck

2 Het periodiek systeem Dimitri Ivanovich Mendeleyev ( ) 1869: Mendeleyev was zich reeds bewust van een zekere periodiciteit in deze eerste tabel. Hij laat dan ook een aantal plaatsen vrij voor de nog ontbrekende elementen. De eigenschappen van deze elementen worden dan afgeleid uit het element dat ervoor en erna komt. mendelevium Md (1955 transuraan) 02

3 Het atoom Het atoom is de kleinste bouwsteen van een scheikundig element. Atoomkern Proton p + (Q = +1) Neutron n 0 (Q = 0) Elektron e - (Q = -1) Protonen lading Q = + 1 Neutronen geen lading Q = 0 Elk deeltje heeft: Q = elektrische lading m = massa J = spin. Het aantal p (Q = +1) in de kern, is steeds gelijk aan het aantal e (Q = -1) rond de kern, het atoom is bijgevolg elektrisch neutraal. Het soort scheikundig element wordt uitsluitend bepaald door het aantal protonen. De 92 scheikundige elementen die in de natuur voortkomen verschillen uitsluitend in aantal protonen. Binnen de atoomkern bestaat er geen onderscheidt tussen n en p het zijn nucleonen. In een bepaalde kern zijn er steeds meer n dan p. Bovendien kan een bepaalde kern een verschillend aantal n bevatten, de isotopen H 1H H

4 De structuur van het baryon 1911 Elementair deeltje 1964 Bestaat uit 3 quarks met spin 1973 Samengehouden door 8 gluonen die kleurlading aan de quarks geven en drager zijn van de sterke wisselwerking (s.w.w.) 1980 Overstroomd door zeequarks vanuit het kwantumvacuüm 04

5 Het kwantumvacuüm De lege ruimte van de kwantummechanica is, op het niveau van cm, gevuld met virtuele deeltjes die voortdurend ontstaan en snel weer verdwijnen. Het zijn dezelfde deeltjes als diegene die we in de natuur aantreffen, maar wel met andere massa s. De onzekerheidsrelatie van Heisenberg maakt het onmogelijk de juiste massa te bepalen. Ze hebben een zeer sterke invloed op het gedrag en de eigenschappen van de reële materie. Lading Q Spin J Ja massa verschillend Zo wordt de massa van de E.D. en het higgsboson direct bepaald door deze kwantumfluctuaties. Meer fluctuaties betekent grotere massa voor alle deeltjes. Deze kwantuminvloed is zo hevig, dat alle deeltjes een enorme massa zouden moeten hebben, waardoor het heelal zoals wij het kennen niet zou kunnen ontstaan. Maar volgens de theorie van supersymmetrie (zie 106) wordt deze invloed sterk onderdrukt, waardoor de deeltjes de massa aannemen die nu gemeten worden. 05

6 Proton en neutron; de quarks theorie Elektron Q p = u (+2/3) + u (+2/3) + d (-1/3) = +1 Het proton draagt een positieve eenheidslading Draaimoment of spin J = ½ Massa = 938,3 MeV (1, g) Leeftijd = PROTON NEUTRON Q n = u (+2/3) + d (-1/3) + d (-1/3) = 0 Het neutron draagt geen elektrische lading. Draaimoment of spin J = ½ Massa = 939,6 MeV (1, ) Halfwaardetijd t 1/2 = 880 sec. Besluit, het neutron is een onstabiel deeltje. 06

7 Het volledige standaardschema van de fundamentele deeltjes Elementaire deeltjes (ED) zijn samengesteld met fundamentele deeltjes. Voor de fermionen zijn verticaal de 3 generaties weergegeven. Onze wereld is alleen met de eerste generatie opgebouwd. Het higgsboson is het laatst gezocht deeltje dat tot dit standaardschema behoort, het standaardmodel (SM) van de fundamentele deeltjes is nu compleet. J = 1 Vector boson Al deze deeltjes zijn fundamenteel omdat ze verder geen inwendige structuur hebben. Bovendien hebben ze een specifieke spinwaarde (J) 1 e generatie J = 1/2 m H = 125 GeV. J = 0? Scalair boson 07

8 Twaalf fundamentele deeltjes: leptonen en quarks Leptonen. Quarks. elektron 0,511 MeV Q = -1 elektronneutrino m <<<< 1eV up quark 2 MeV Q = +2/3 down quark 5 MeV Q = -1/3 muon 105,6 MeV Q = -1 muonneutrino m << 1 ev strange quark 95 MeV Q = -1/3 charm quark 1,25 GeV Q = +2/3 tauon MeV Q = -1 tauonneutrino m < 1 ev Dit is de meest eenvoudige indeling van de12 fundamentele deeltjes bottom quark 4,25 GeV Q = -1/3 top quark 172 GeV Q = +2/3 08

9 Kracht overbrengende deeltjes: bosonen Virtuele foton: m =? is de drager van alle elektrische en magnetische verschijnselen. Reëel foton: m = 0 van de elektromagnetische straling 4 Natuurkrachten 1. elektromagnetisme 2. zwakke wisselwerking 3. sterke wisselwerking 4. gravitatie Reëel gluon (8): m = 0 drager van de sterke wisselwerking, bindt de quarks samen. Drie reële dragers van de zwakke wisselwerking. Virtueel graviton: m = 0 drager van de gravitatiekracht volgens de kwantumtheorie. m 0 ~ 90 GeV neutrale stroom m 0 ~ 80 GeV geladen stroom Reëel Higgsdeeltje: m = 125 GeV waarvan het veld massa geeft aan alle fundamentele deeltjes. Mesonen zijn dan wel samengestelde deeltjes. q qmaar vertonen ook bosongedrag, ze kunnen een kracht overbrengen. 09

10 Indeling van de elementaire deeltjes LEPTONEN enkelvoudige puntvormige deeltjes: d < cm (LHC) L L er zijn 6 leptonen (J 1/2) Baryonen 3 quarks q q q in 3 kleuren (J 1/2) p + n 0 HADRONEN samengestelde deeltjes d ~ cm nucleonen lijst hyperonen Mesonen 2 quarks q q in kleur + antikleur (J 0, 1) lijst mesonen KRACHTDRAGERS massaloos, of extreem zwaar EM.W.W. massaloos foton S.W.W. 8 massalose gekleurde gluonen g Z.W.W. zeer zware deeltjes W - W + Z 0 GRAVITATIE massaloos graviton g r Higgsboson zwaar deeltje 14 krachtdragers (J 1) (J 1) (J 1) (J 2) (J 0) FERMIONEN BOSONEN 10

11 e - 1 1H e - n = 1 p + Sterkere binding = groter massaverlies 912 A 9, ,2 nm cm Het wegstralen van 13,6 ev betekent massaverlies voor het elektron in gebonden toestand. Om het elektron opnieuw te verwijderen, moet men dezelfde hoeveelheid energie inbrengen. 6 De vorming van een atoomkern: kernfysica. p + 2 1H E n 0 6 2,2.10 ev H: Z = 1, n = 1. = 13,6 ev U 91 Het energieverlies tussen elektron en kern drukt zich uit in een aantal ev. Bij de vorming van een atoomkern worden er miljoenen ev uitgestraald. 2 13,6 ev x (92) ( U) 1, n E B 5 X n 2 n 1 0 ev - 0,5 ev - 3,4 ev - 13,6 ev =0,11 Å m 100%( m e ev 22,5% m 0( e ) Orbitaal e zie 020 (1,1 nm) : ) 11

12 De kernkracht en gluon keten - Gluonen hebben een kleurlading die uit 8 verschillende polariteiten bestaat, en een quark rood, blauw, of groen kunnen kleuren. - Het zijn de gluonen die de quarks aan elkaar binden, zij zijn bijgevolg de uiteindelijke dragers van de s.w.w. - De invloed van de gluonen reikt verder dan de afmeting van het nucleon, waardoor de verschillende protonen en neutronen in de kern worden vastgehouden. -De moderne versie van de Yukawa theorie kan nu worden voorgesteld als de uitwisseling van quarks tussen de nucleonen, in de vorm van pi- mesonen (bosonen). -Als gevolg van de uitwisseling van pi- mesonen tussen de nucleonen, gaan neutron en proton voortdurend in elkaar over, wat de stabiliteit van het neutron verklaart. - De term nucleonen wordt gebruikt voor deeltjes in de atoomkern, waarbij de ladingsonafhankelijkheid wordt gedemonstreerd (Heisenberg 1932). Dichtheid atoomkern: ρ = g cm g cm -3 x 1 cm 3 = g = kg = ton n 0 p + n p

13 Het Pauli- verbod alleen voor fermionen Dit principe heeft belangrijke gevolgen voor de bouw van het atoom. Elektronen zijn fermionen die aan deze regel moeten voldoen, bijgevolg is het aantal mogelijke elektronen op een bepaalde baan beperkt. Alleen hierdoor is scheikunde en bijgevolg leven mogelijk. Spinoriëntatie bij helium. Omdat protonen en neutronen ook fermionen zijn, geldt de Pauli regel ook daar. Bosongedrag van het elektron. Een willekeurig aantal deeltjes nemen dezelfde kwantumtoestand in. Er is geen scheikunde en de wereld zoals wij die kennen zou niet kunnen bestaan. n = 1 J+1/2 J -1/2 J -1/2 J+1/2 4 2 He J+1/2 J -1/2 Fermiongedrag: elektron, proton en neutron zijn fermionen met spin J 1 2 Hierdoor ontstaan kwantumbanen. Op elke baan kunnen maximaal 2 deeltjes met tegengestelde spin, met een klein energieverschil. E 6 n 1 5,6. 10 ev Boson- of fermion gedrag heeft alles te maken met statistiek, of een grote verzameling van deeltjes. Zo is er de Bose- Einstein statistiek voor bosonen, en de Fermi- Dirac statistiek voor fermionen. 13 n 3 n 2 n 1

14 Resultaat van het Pauli- verbod: de 21 cm straling Neutrale waterstof is te vinden in koude gebieden binnen de spiraalarmen van de melkweg. Het waterstofgas wordt dus niet geëxciteerd, de 21 cm straling is zuiver het gevolg van een kwantummechanisch effect: spinflip. E = 5, ev E n=1 = -13,6 ev Waterstof: 1 1H n = 1 Er zijn maar enkele ev nodig (botsing tussen 2 H- atomen) om de spin terug parallel te brengen. Helium: 4 2He n = 1 = 21,12 cm n = 1 E n=1 = -54,4 ev hc E 4 1,24.10 evcm 6 5,85.10 ev 21,12cm Wanneer een heliumatoom botst, dus energie opneemt, kunnen beide elektronen even de parallelle toestand aannemen, met een kleinere waarschijnlijkheid. Waarna de normale toestand zich herstelt door de uitzending van een foton. 14

15 Voornaamste eigenschappen van de 4 natuurkrachten Kracht Sterke kracht S.W.W. Elektromagkracht EM.W.W. Zwakke kracht Z.W.W. Gravitatie kracht Relatieve sterkte Dracht - reikwijdte Drager a) -meson b) g-gluon a) cm cm b) + kern -foton W - W + Z 0 g-graviton Boson (spin) a) 0 higgs b) 1 andere Massa a) 140 MeV b) massaloos massaloos 80,6 GeV 91,2 GeV massaloos Werkingsgebied a) hadronen b) quarks c) kern Q-deeltje atoom Molecuul Spontaan verval elementaire deeltjes Kosmische schaal. Elementaire deeltjes cm 15

16 LHC 16

17 Met luchthaven op de voorgrond 17

18 18

19 Dipoolmagneet geplaatst. 19

20 20

21 21

22 Compact Muon Solenoid: CMS detector 15 m 22 m Zie cursus: Elementaire deeltjes 15 m 22

23 A Toriodal Lhc ApparatuS: ATLAS- detector 25 m 46 m 25 m Zie cursus: Elementaire deeltjes 23

24 De ene botsing is de andere niet Elektronen (en positronen) zijn fundamentele deeltjes, dus zonder inwendige structuur. De impulsoverdracht is maximaal: E B = 100 GeV GeV = 200 GeV e - e - e - LEP: Large Electron Positron collider E v = 200 GeV 100 GeV 100 GeV e + e + e + e + e - e - e + e + Protonen zijn elementaire deeltjes, hebben bijgevolg een inwendige structuur. De impuls van 4 TeV is verdeeld over 3 quarks. Bijgevolg is de maximale overgedragen energie of impuls: 4TeV x 2 2,67TeV GeV MeV p+ p+ p+ LHC: Large Hadron Collider p+ p+ E v = 8 TeV p+ 4 TeV 4 TeV p+ p+ p+ p+ s 8TeV (2,83TeV ) p+ p+ 24

25 m e 0, 511MeV De drempeltemperatuur: elektron proton E 6 0, ev 6 86,17.10 ev / K 9 T e 6.10 De drempeltemperatuur is de minimale energie die een medium moet hebben om daaruit deeltje en antideeltje spontaan te doen ontstaan. Zo is er K nodig om de elektron / positron combinatie te materialiseren, voor proton / antiproton bedraagt dit K. Bij voldoende hoge temperatuur is er thermisch evenwicht, deeltjes ontstaan en vergaan. De symmetrie tussen materie en antimaterie komt hier tot uiting. e 2 e E m e p 2 m0c E k T T K m p 938, 3 m0c k p p E 2m 2 MeV 6 938,3.10 ev 6 86,17.10 ev / K 13 T p 10 Deze voorbeelden bewijzen de symmetrie tussen materie / antimaterie, er kan geen enkelvoudige lading in het heelal worden gebracht, en de gelijkwaardigheid van massa en energie, energie kan wel worden omgezet, maar niet verdwijnen. K 25

26 Rustmassa van elementaire deeltjes E 2 m 2 0 c 2 E m 0 c 4 De quarks van een elementair deeltje bevinden zich in gebonden toestand. De rustmassa m 0 is afhankelijk van de hoeveelheid massa die in bindingsenergie is omgezet. Zwaardere deeltjes zijn in het algemeen minder sterk gebonden, waardoor ze sneller uiteenvallen. p 2 0 c 2 Elementen die de rustmassa bepalen: 1. quarksamenstelling 2. gluon keten 3. spinoriëntatie 4. bindingsenergie p + 938,3 u u d J = 1/2 n 0 939,6 u d d J = 1/2 ~ 660s Massaverschil = quarksmaak. m u = 2 MeV m d = 5 MeV m s = 95 MeV Verschil tussen p + en = spinoriëntatie. Verschil u u d s s s tussen en gevolg J = 3/2 J = 3/2 van quarksmaak ~10 s ~10 s Bijdragen van de gluon keten: J / p + 938,3 n 0 939,6 u u d (2+2+5) = 9 u d d (2+5+5) = 12 c c (2x1.500) s s s (3 x95) ,3 9 = 929,3 939,6 12 = 927, Rood: de bijdragen van de gluon keten, hoe kleiner de bijdragen, hoe minder stabiel! ~10 20 s ~10 12 s Maar, hoe komen de fundamentele deeltjes aan hun massa?? 26

27 De geschiedenis van het Higgsboson De formules die men gebruikt om berekeningen te maken in de kwantumfysica geven alleen zinnige resultaten als men de deeltjes beschouwt als massaloos (m = 0). Daar praktisch alle elementaire deeltjes een rustmassa hebben, werd er gezocht naar een mechanisme dat aan de deeltjes massa geeft. Deze massa moet experimenteel worden bepaald, waarna ze in de formules kan worden ondergebracht waarna correcte resultaten worden bekomen. Kort na elkaar zijn er 3 studiegroepen die hiervoor een oplossing hebben gevonden (BEH- theorie). Robert Brout ( 2011) François Englert Nobelprijs (N) en baron 2013 augustus 1964 Peter Higgs Nobelprijs (N) 2013 oktober 1964 Carl Hagen, Gerald Guralnik, Walter Kibble Dirac Medal 2013 november 1964 (datum publicatie) m = 0 m > 0 Brout Englert Higgs higgsveld Massaloze deeltjes bewegen steeds met lichtsnelheid. Een interactie met het higgsveld veroorzaakt afremming (inertie), waardoor de deeltjes rustmassa krijgen. Het is alsof de beweging van de deeltjes plots wordt afgeremd, dus van snelheid verandert, wat volgens de relativiteitstheorie een vorm van gravitatie is, dus massa. 27

28 Velden in de fysica Om berekeningen in de fysica mogelijk te maken, worden alle ED voorgesteld door een veld dat heel de kosmos doordringt. Zo n veld heeft geen massa en zou bijgevolg niet detecteerbaar zijn (m = 0). Maar in de kwantumfysica is er de onzekerheidsrelatie die schommelingen rond het nulpunt toestaat. Brengt men energie in het veld, kan het verdichten, samentrekken, condenseren tot een deeltje (massa). t x E Zo heeft elk deeltje zijn veld, waardoor het zich periodiek in het kwantumvacuüm kan manifesteren. Het zijn deze periodieke schommelingen die de eigenschappen van het kwantumvacuüm uitmaken. Beter zou zijn deze velden in 3 dimensies voor te stellen als een mist die heel de ruimte doordringt, in de onderstaande tekeningen zijn ze voorgesteld door een vlak (2 dimensies). p y z y z x x Faraday, het klassieke veld: om de werking op afstand zonder fysisch contact te verklaren lanceert hij het begrip veld, voor magnetische en elektrische verschijnselen. Twee typen velden: Vector veld; met grootte en richting (bosonen met J = 1) Scalair veld; met alleen grootte ( higgsveld met J = 0). Het kwantummechanisch veld: vertoont, onder invloed van de onbepaaldheidrelatie schommelingen rond het nulpunt. Optreden van een deeltje door energie in het veld te steken, is dan een plaatselijke verdichting van het veld. 28

29 Het Higgsveld Het higgsveld is fundamenteel verschillend van de vorige velden omdat het in rusttoestand reeds een bepaald potentiaal heeft E MAX (een soort lading), het is een scalair veld. Het betreft de werking van 4 componenten waarvan er 2 neutraal zijn en 2 actief, H 1 en H 2 die rechthoekig op elkaar staan, en waar het potentiaalverloop in 3 dimensies de figuur van een sombrerohoed oplevert. Beiden velden kunnen nul zijn, maar het volstaat dat één van beiden een potentiaal heeft wil het veld actief worden. Het telkens naar nul rollen van dit potentiaal geeft massa aan de deeltjes, het is een continu proces (gebroken symmetrie). m = 0 m > 0 y z Hoe langer dat naar beneden rollen duurt, hoe meer massa een fundamenteel deeltje krijgt. Het is de constante interactie met dit higgsveld waardoor ED massa krijgen. x E = Max. E = 0 Mathematische vorm van het higgsveld Gewicht: is de mate waarin een planeet een massa aantrekt. Zware massa: is de hoeveelheid materiaal waaruit een lichaam bestaat. Trage massa: verzet zich tegen het in beweging komen als gevolg van het higgsveld. Het is de interactie van het higgsboson met zijn eigen veld (een nog niet begrepen mechanisme dat buiten het SM valt), dat aan dit deeltje massa geeft. Alleen wanneer men in het higgsveld voldoende energie steekt (LHC; 125 GeV) ontstaat spontaan het higgsboson, als de laagste excitatie van het veld. 29

30 Potentiële energie Potentiële energie Werking van het higgsveld Slinger 0 Het verloop van de potentiële energie van een higgsveld. 0 Veld 245 GeV m. De massa van een deeltje, is de sterkte van het higgsveld maal de koppelingsconstante waarvan de grootte wordt bepaald door de tijdsduur van de interactie. Bij de mechanische slinger is de potentiële energie nul in de verticale stand, de kinetische energie is dan maximaal. Voor het higgsveld is de potentiële energie in verticale stand niet nul, maar 245 GeV, het veld kan nog invloed uitoefenen op zijn omgeving. Dit wordt gesymboliseerd door het bolletje op de heuvel, het veld is inactief, er is perfecte symmetrie. Wanneer het veld actief wordt en massa geeft aan de deeltjes, wordt die symmetrie verbroken. Dit is een continu proces, het veld staat constant in wisselwerking met de elementaire deeltjes. 30

31 Massawaarde van het Higgsboson - Blauw: de massa van een deeltje komt nooit overeen met de blauwe lijn. Ze vertegenwoordigt een éénduidige absolute waarde die in de kwantumfysica niet bestaat. - Rood: de breedte van deze curve op halve hoogte, geeft een onnauwkeurigheid van ~ 30 MeV die nooit zal verdwijnen. Ze is het direct gevolg van de niet aflatende schommelingen van het kwantumvacuüm vervat in het onzekerheidsprincipe van Heisenberg en supersymmetrie (H40). - Groen: de breedte van de curve neemt een weinig toe als gevolg van de nauwkeurigheid waarmee de verschillende eigenschappen van de deeltjes met de moderne techniek gemeten kunnen worden. Deze breedte kan bijgevolg wel afnemen. - Eenmaal de breedte op halve hoogte van de curve vastgesteld, kan men daaruit de gemiddelde leeftijd van het deeltje afleiden, door weer gebruik te maken van de onzekerheidsrelatie: t E. t h 15 4, ev s 7 2,56.10 ev 1, s M (H) Massa 127 Jodiumatoom: 53I m m n H ~ m GeV p 1,67.10 :1, , GeV ~ 25,6 MeV x 127 2, E ~ 2GeV g / ev ev g g 1,25.10 E ev

32 Zwakke wisselwerking (z.w.w.) Het spontane verval van een atoomkern (radioactiviteit) of elementair deeltje wordt veroorzaakt door de tussenkomst van 3 virtuele vector bosonen. Deze bosonen veroorzaken alle transformaties van deeltjes zowel bij de s.w.w. als z.w.w. Het optreden ervan betekent een tijdelijke inbreuk op de behoudswetten van energie en impuls. Feynman diagram: a n P = m v 0 p d n 0 b e u d d Behoud van energie (massa). e P(d) = 0 P(a) = -P(b) (660 s) W - e - e Behoud van impuls. Voor een deeltje in rust dat vervalt moet de totale impuls nul blijven. De 2 uitgezonden deeltjes vliegen dan ook lijnrecht van elkaar weg. u d u p + 0 u d s Q m J W 1 10 n 0 H W -, Z 0 80,356GeV 1 25 s 0 W 1 1 d ( Z 91,1884GeV 16 s) W +, Z 0 Bij het verval van het higgsboson ontstaan er steeds 2 deeltjes, die lijnrecht van elkaar weg bewegen. Het verval verloopt steeds volgens de wetten van de z.w.w. waarbij meestal de zware W en Z bosonen optreden cm u d Z 0 d n 0 32

33 Vervalkanalen voor het Higgsboson 2012 Wanneer de massa van het boson gekend is, kan men de verschillende vervalkanalen berekenen met de bijbehorende waarschijnlijkheid. In dit diagram worden de voornaamste vervalkanalen (manier van desintegreren) weergegeven voor het higgsboson, waarbij steeds 2 primaire deeltjes ontstaan (behoud van impuls). bb - bottom / antibottom quark (56,1%) Op één na zwaarste quark (5.000 MeV). - W / W (23,1%) en Z / Z (2,9%) de bosonen van de zwakke wisselwerking. - tau / antitau zwaarste lepton (6%). - g g verval in 2 gluonen (8,5%). - het verval in 2 fotonen (0,056%) Z - verval in boson en foton (0,6%). De frequentie waarmee deze processen voorkomen is eveneens aangegeven (BRH). Het verval in b b komt 1.000x meer voor dan 125 GeV. De frequentieverhouding, waarmee deze vervalprocessen plaats vinden, is afhankelijk van de massa van het higgsboson (125 GeV). Indien dit boson zwaarder zou zijn, waren de verhoudingen anders, en zou bovendien de zware top / antitop quark t t (173 GeV) aan het vervalproces kunnen deelnemen. De vervalfrequentie is voor elk kanaal verschillend, dus ook de statistiek. 33

34 Wat de detectoren laten zien: deeltjes en jets ATLAS- detector (A Toriodal Lhc ApparatuS) CMS- detector (Compact Muon Solenoid) Een zijaanzicht van de detector met sporen van muonen (rood) en elektronen (groen). Een dwars doorsnede van de detector. De protonenbundel staat loodrecht op de tekening. Naast een lawine van deeltjes (geel) zijn de sporen van muonen zichtbaar (rood), met 2 bundels van zwaardere hadronen (groen). 34

35 Vorming van het higgsdeeltje uit het samensmelten van 2 gluonen, waarna het vervalt in 2 Z deeltjes, die op hun beurt overgaan in leptonen, de deeltjes die uiteindelijk gemeten worden. H 0 e Z L Z R e 35

36 Vervalschema s van het Higgsboson H J0 H J0 H J0 neen neen ja Z 0 Z * J+1 Z 0 J-1 e - e + e - e J 1 2 J1 J 1 2 Z 0 J+1 Z 0 J-1 e - e J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 Wel mogelijk met één Z (eigen antideeltje), maar niet mogelijk als gevolg van spin. H J0 W - J+1 W + * J-1 Wel mogelijk omwille van spin, maar niet mogelijk als gevolg van massa: m (H) < 2m (Z). ja ja H J0 Mogelijk als gevolg van spin en geleende massa vanuit het kwantumvacuüm. Eén van beide Z s is een virtueel deeltje. J+1 J-1 e ( ) e ( ) e ( ) e ( ) e - e J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 Hier moeten 2 W s optreden omdat ze lading dragen en elkaars antideeltje zijn. Bovendien is 2 m (W) > m (H) waardoor één van de twee weer virtueel moet zijn (kwantumvacuüm). Er ontsnappen neutrino s die de LHC niet kan meten. Zeer interessant proces, maar komt zelden voor (0,05%). Kan optreden omdat m (H) = m (2 fotonen). Hier wordt massa in zuivere energie omgezet, de som van de fotonen geeft dan de exacte massa van de Higgs. Voor dit verval is J = 1 uitgesloten. Volgens het SM moet het higgsboson J = 0. Maar indien beiden fotonen steeds dezelfde polarisatie of spin zouden vertonen (nog niet gemeten) geeft dat: J = 2 absoluut voorbehouden voor het graviton??? 36

37 ja H J H e - J0 ja b b Z 0 J-1 hadronen jet hadronen jet e + J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 Het meest voortkomend proces (56%). De botsing (p p) vormt een q/g plasma, de b- quarks die hieruit ontstaan combineren ogenblikkelijk terug tot baryonen (q q q) en mesonen ( q q ). Wat meetbaar is zijn 2 jets van deeltjes die honderden detectorcellen aanslaan. Moeilijk te analyseren proces, er gaan brokstukken verloeren. Is één van de redenen voor de. Compact Linear Collider. Mogelijk omdat Z en foton hun eigen antideeltje zijn. Het foton neemt de resterende energie (massa) op, bovendien wordt spin gerespecteerd. Maar een verval dat zelden voorkomt. H J0 ja Z 0 J Z * + J-1 J 1 2 J 1 2 J 1 2 J 1 2 Omdat de massa van 2 muonen dichter bij Z 0 licht, zal dit proces zich gemakkelijker voordoen dan het verval in 2 elektronen. De ajuinstructuur van ATLAS en CMS. Bij al die vervalprocessen zijn alleen de leptonen en enkele jets van zwaardere hadronen meetbaar, ze leggen voldoende afstand af door de detector. 37

38 ATLAS: Higgsboson vervalt in 4 leptonen (2e, 2μ) Verval van het Higgsboson in Z, Z *. Eerst in 2 Z-deeltjes (bosonen van de zwakke wisselwerking), en daarna 4 leptonen. Alleen deze laatste zijn meetbaar. H Z 0 Z 0* Groen; elektronen Rood; muonen p(e + ) = 18,7 GeV p(e - ) = 76 GeV p(μ - ) = 19,6 GeV p(μ + ) = 7,9 GeV e - e Vermits de detectorruimte een zekere lengte heeft waarin zich talrijke gebeurtenissen voordoen is, voor een correcte analyse van het botsingproces, noodzakelijk te bewijzen dat de 4 leptonen van hetzelfde punt (vortex) afkomstig zijn. 38

39 CMS: Higgsboson vervalt in 4 leptonen (2e, 2μ) Zelfde verval als bij ATLAS 2 elektronen (groen) en 2 muonen (rood). 39

40 ATLAS: Higgsboson vervalt in 4 muonen (μ) Energieverdeling: μ - (1) 47,5 GeV, μ + (2) 36,1GeV, μ - (3) 71,7 GeV, μ + (4) 26,4 GeV 40

41 CMS: Higgsboson vervalt in 4 muonen ( ) CMS: H Z 0 Z * H m Z = 91,2 GeV Z Z * + 2 m Z = 182,4 GeV m H = 125 GeV m 105, 6MeV Bijgevolg kan de Z zich gemakkelijk omzetten in 2 muonen, en aan deze deeltjes een hoge energie meegeven, wat het enorme penetratievermogen van deze deeltjes verklaart. H Z Z * + De rustmassa van het H- boson kan zich nooit omzetten in 2 Z. Als gevolg van de interactie van het H- boson met het kwantumvacuüm waar kortstondig energie geleend wordt, is dit proces toch mogelijk. 41

42 CMS: Higgsboson vervalt in 2 gammafotonen -Higgsboson vervalt zeer zelden (0,05%) in 2 fotonen (y y). Maar volgens het SM op de energieschaal toch 1,5% te veel, mogelijk treedt er een nieuw onbekend deeltje op. - De blauwe cilinder is de kristal- caloriemeter die zich zeer dicht bij de botsende protonen bevindt, waardoor de energie van de fotonen zeer nauwkeurig gemeten kan worden. - Het is een zeer interessant verval omdat daaruit exact de massa van het boson kan worden afgeleid. m H E ( ) ( E ev ) g g t t H jet + foton Door de hoge energie (gammastraling) zetten de 2 fotonen zich zeer snel om in een lawine van andere deeltjes (jets). H foton + jet Er is hier een zeer ongunstige verhouding tussen signaal en achtergrond. Vele vervalprocessen van het higgsboson in ED worden door de detector erkent als fotonen. Het is zeer moeilijk om de detector zo in te stellen dat hij alleen fotonen meet. 42

43 Higgs vervalt in 4 elektronen Deze 4 elektronen doen de binnenste kristallen van de detector aanslaan, waarna ze zich omzetten in andere deeltjes (jets) die eveneens geïdentificeerd kunnen worden. H J0 Z 0 J+1 Z 0* J-1 e - e + e - e + Elektronen (groen) met bijbehorende jets (rood). 43

44 Het Higgsveld verbreekt Elektrozwak Kort na de oerknal zet de straling zich om in krachtvelden en deeltjes zonder rustmassa (H15). Bij die hoge energie (10 39 K) is higgsveld en boson aanwezig. Daalt de temperatuur tot elektrozwak (10 17 K), wordt het higgsboson actief en splitst elektrozwak in em.w.w. en z.w.w.. Het higgsboson verdwijnt, het higgsmechanisme wordt actief en geeft massa aan de fundamentele deeltjes K oerknal krachtvelden deeltjes higgsveld higgsboson elektrozwak > K K 250 GeV em.w.w. z.w.w. Een andere belangrijke functie van het Higgsveld is dus het verbreken van de symmetrie tussen krachten. Boven de 250 GeV zijn de 2 componenten van het higgsveld H1 en H2 gelijk in waarde. Er is perfecte symmetrie, de 2 krachten smelten samen om een nieuwe natuurkracht te vormen: elektrozwak. Higgsmechanisme: fundamentele deeltjes met massa. E = Max. E = 0 W + W - Z 0 W +, W - en Z 0 zijn de dragers van de z.w.w., het γ de drager van em.w.w. Binnen elektrozwak gedraagt de Z 0 zich als een foton met massa! Elektrozwak Maar er is een probleem. We weten dat de kwantumveldentheorie de eigenschappen van kwantummechanica en relativiteit in zich verenigt. In tegenstelling tot de werkelijk gemeten waarden voorspelt deze theorie een veel hogere massa voor alle bosonen uit het SM, dus ook het higgsboson (factor 10 16, Planck- schaal). We hebben een nieuwe theorie nodig om de veel kleinere gemeten massa s van alle deeltjes te verklaren. 44

45 Unificatie, of het samensmelten van krachten Higgs veld? em.w.w. veld m (x) > 0 Higgs boson 125 GeV z.w.w. veld m (x) > 0 s.w.w. veld m (x) = 0 gravitatie veld m (x) = 0 elektrozwak 250 GeV m(x) = 0 De deeltjes van supersymmetrie (spartiles) zijn veel zwaarder, de schaduw wereld (H15). G.U.T. : Grand Unified Theory T.O.E. : Theory Of Everything. G.U.T. T.O.E. Andere modellen: 1) De zeer zware massa van het Higgsboson dat door de theorie van het SM wordt voorspeld, kan herleid worden tot de gemeten waarde door supersymmetrie. 2) Het higgsboson kan een samengesteld deeltje zijn, zodat men rekening moet houden met de bindingsenergie van de deeltjes. 3) Zoals Lisa Randall en Raman Sundrum aangeven, ligt de ware massa op een braan dat in hogere dimensies van onze wereld gescheiden is, zoals het graviton. 45

46 De unificatie van krachten 1,00 0,01 a 1 LEP d = cm 200 GeV K LHC d = cm 14 TeV ~ K G.U.T cm Planck cm T.O.E. a a 3 a 4 Woestijn van Glashow a 5 E a 1 : s.w.w. a 2 : z.w.w. a 3 : em.w.w. a 4 : elektrozwak a 5 : gravitatie 250 GeV K unificatie energie elektrozwak Toenemende energie is afnemende afstand GeV K GeV K G.U.T. Grand Unified Theories 3 natuurkrachten. T.O.E. Theory of everything 4 natuurkrachten. Bij voldoende energie kunnen krachten, die nu afzonderlijk voortkomen, samensmelten tot een nieuwe kracht. Bij de G.U.T. waar de s.w.w. bij betrokken is, kunnen leptonen en quarks met elkaar reageren, waardoor het nu stabiele proton zou kunnen vervallen. 46

47 Hoe dicht nadert de LHC de Oerknal? E k T , ,5.10 t( s) T ( K) 10 T 2 E k ev ~ 10 ev / K 17 K 2, s 2, s De faseovergang waarbij deeltjes massa krijgen heeft zich voorgedaan in het temperatuurgebied: K We naderen bijgevolg de Oerknal zeer dicht (H39). Bovendien valt het samenvloeien van 2 krachten binnen het energiebereik van de LHC, zodat vanaf nu elektrozwak grondig bestudeerd kan worden. Een proces waarbij het higgsboson eveneens betrokken is. 47

48 De beschrijving van de natuur is gebaseerd op twee theorieën die los van elkaar staan: RELATIVITEITSTHEORIE als beschrijving van de macrokosmos Hoe we de natuur beschrijven KWANTUMFYSICA als beschrijving van de microkosmos. Zonder gravitatie geven deze twee theorieën, binnen het eigen domein, een correcte beschrijving van het natuurgebeuren. In andere gevallen zijn ze beiden nodig om bepaalde verschijnselen te verklaren. GRAVITATIEKRACHT ALGEMENE RELATIVITEITSTHEORIE die de zwaartekracht beschrijft als de vervorming van de ruimtetijdstructuur. Kwantumgravitatietheorie De fysica van de elementaire deeltjes heeft geen gravitatie nodig, maar bij een grote verzameling van deeltjes is wel vereist dat, zoals bij de andere 3 natuurkrachten, deze wordt overgebracht door een deeltje: het graviton. Snaartheorie (String theory) Een theorie die volop in ontwikkeling is, in een poging de algemene relativiteitstheorie te versmelten met de kwantummechanica, en zo te komen tot een kwantummechanische beschrijving van de zwaartekracht. 48

49 Het begin van nieuwe fysica? The Higgs boson discovery is more likely to be the beginning of the story than an end. Lisa Randall 49