Elementaire Deeltjesfysica

Vergelijkbare documenten
Deeltjes en velden. HOVO Cursus. Jo van den Brand 26 september

Elementaire Deeltjesfysica

Elementaire Deeltjesfysica

E p m. De voorspelling van antimaterie. Paul Dirac voorspelde het bestaan van het positron in 1928

Materie bouwstenen van het heelal FEW 2009

Deeltjes en velden. HOVO Cursus. Jo van den Brand 31 oktober

Deeltjes en velden. HOVO Cursus. Jo van den Brand 7 november

Quantummechanica en Relativiteitsleer bij kosmische straling

Deel 1: in het Standaard Model bestaan er 3 generaties (flavours) neutrino s. dit werd met grote precisie bevestigd door de metingen bij de LEP

Higgs en de Kosmos Niels Tuning (Nikhef) 31 oktober 2013

(a) Noem twee eigenschappen die quarks en leptonen met elkaar gemeen hebben.

Elementaire Deeltjesfysica

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur

H2: Het standaardmodel

Kernenergie. FEW Cursus. Jo van den Brand 30 Maart 2010

Higgs en de Kosmos Niels Tuning (Nikhef) Hoorn, 15 april 2014

De bouwstenen van het heelal Aart Heijboer

Elementaire Deeltjesfysica

Majorana Neutrino s en Donkere Materie

Het Standaardmodel. HOVO college Teylers 20 maart 2012 K.J.F.Gaemers

Sterren kijken op de bodem van de zee Aart Heijboer

Symmetie en Symmetrie. in het Standaard Model

Wetenschappelijke Nascholing Deel 1: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje

LHCb Wat doen wij? Niels Tuning voor ET - 8 januari 2013

(a) Noem twee eigenschappen die quarks en leptonen met elkaar gemeen hebben.

Elementaire Deeltjesfysica

6 SYMMETRIEBREKING 222

2.1 Elementaire deeltjes

Vorig college: Geladen leptonen: e, μ, τ Neutrino s Pionen, vreemde deeltjes Hadronen: mesonen en baryonen Quarks: u, d, s Zware quarks: c, b, t

Een deels bestaande PowerPointpresentatie voor de cursus in de aandacht gebracht cq bewerkt door:

Wordt echt spannend : in 2015 want dan gaat versneller in Gevene? CERN echt aan en gaat hij draaien op zijn ontwerp specificaties.

De Large Hadron Collider 2.0. Wouter Verkerke (NIKHEF)

De ontdekking van het Higgs boson. Ivo van Vulpen

De wisselwerkingen tussen elementaire deeltjes worden experimenteel bestudeerd aan de hand van botsingen tussen deeltjes of het verval van deeltjes.

Samenvatting PMN. Golf en deeltje.

EEN ONTDEKKINGSREIS NAAR HET ALLERKLEINSTE EN ALLERGROOTSTE

Deeltjesfysica in vogelvlucht. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen / Nikhef

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

In de hoge-energiefysica werken we met deeltjes die hoge snelheden bezitten, soms zeer dicht bij de

Relativistische kinematica

Nederlandse samenvatting

Detectie van kosmische straling

Onder constituenten verstaat men de fundamentele fermionen: de quarks in het versnelde proton of anti-proton, t of de versnelde elektronen of

De large hadron collider: Hoe zien de eerste botsingen eruit? Ivo van Vulpen

Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd

Kosmische straling: airshowers. J.W. van Holten NIKHEF, Amsterdam

Symmetrie en behoudswetten spelen een belangrijke rol in de beschrijving en het begrip van interacties tussen elementaire deeltjes.

Alfastraling bestaat uit positieve heliumkernen (2 protonen en 2 neutronen) met veel energie. Wordt gestopt door een blad papier.

De deeltjes die bestudeerd worden hebben relativistische snelheden, vaak zeer dicht bij de lichtsnelheid c. De interacties tussen deeltjes grijpen

Wetenschappelijke Nascholing Deel 3: En wat met de overige 96%?

Meesterklas Deeltjesfysica. Universiteit Antwerpen

De magische wereld van het allerkleinste - gedeelde dromen & innovatie -

Symmetrie en behoudswetten spelen een belangrijke rol in de beschrijving en het begrip van

KERNEN & DEELTJES VWO

VERENIGDE DEELTJESINTERACTIES

Van atoom tot kosmos

Deeltjes binnen het standaardmodel. N.G. Schultheiss

Theory DutchBE (Belgium) De grote hadronen botsingsmachine (LHC) (10 punten)

Antares: een telescoop op de bodem van de zee Aart Heijboer. April 2010, astra alteria, Putten

Elementaire deeltjes fysica: een reductionistische zoektocht naar de schepping. Meesterklassen deeltjesfysica 10 Maart 2012 Nick van Remortel EDF-UA

Samenvatting. (Summary in Dutch)

Citation for published version (APA): Vos, K. K. (2016). Symmetry violation in weak decays [Groningen]: University of Groningen

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

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

Deeltjes binnen het standaardmodel

Sterrenkunde Ruimte en tijd (6)

Samenvatting. Deeltjesfysica en het Standaard Model

Gravitatie en kosmologie

De zoektocht naar het Higgs boson. Ivo van Vulpen

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Het berekenbare Heelal

In Pursuit of Lepton Flavour Violation. A search for the τ -> μγγ decay with ATLAS at s = 8 TeV. I. Angelozzi

Het Higgs-deeltje ontdekt. En wat dan?

Algemeen. Cosmic air showers J.M.C. Montanus. HiSPARC. 1 Kosmische deeltjes. 2 De energie van een deeltje

versie 21 februari 2013 Quantumtheorie J.W. van Holten NIKHEF Amsterdam LION Universiteit Leiden

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Vergelijk het maar met een ijsberg: de 20% die uitsteekt boven water zien we. De 80% onder water zien we niet, maar is er wel!

Kernenergie. FEW cursus: Uitdagingen. Jo van den Brand 6 december 2010

HiSPARC High-School Project on Astrophysics Research with Cosmics. Interactie van kosmische straling en aardatmosfeer

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

nieuw deeltje deeltje 1 deeltje 2 deeltje 2 tijd

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 27 november 2003 van 09:00 12:00 uur

Up quark (u) Down quark (d) Up anti-quark (ū) Down anti-quark (đ) Charm quark (c) Strange quark (s) Charm anti-quark(č) Strange anti-quark(š)

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

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

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

1 Uitgewerkte opgaven: relativistische kinematica

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

1 Wisselwerking en afscherming TS VRS-D/MR vj Mieke Blaauw

Zoektocht naar het Higgs deeltje. De Large Hadron Collider in actie. Stan Bentvelsen

Nieuwe Grenzen: de Large Hadron Collider (I)

Werkstuk Natuurkunde Het Higgsboson

Sterrenkunde Ruimte en tijd (3)

6.4. Werkstuk door een scholier 2125 woorden 8 juni keer beoordeeld. Scheikunde. Antimaterie?

1 Leerlingproject: Kosmische straling 28 februari 2002

Inleiding stralingsfysica

Transcriptie:

Elementaire Deeltjesfysica FEW Cursus 27 Oktober, 2009 Structuur der Materie

Docent informatie Email: jo@nikhef.nl Overzicht 0620 539 484 / 020 598 7900 Kamer: T2.69 Rooster informatie Dinsdag 13:30 15:15, F654 (totaal 7 keer) Vrijdag 13:30 15:15, F654 (totaal 7 keer) Tjonnie Li Boek en website David Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley and Sons, ISBN 978-3-527-40601-2 (2008) Zie website URL: www.nikhef.nl/~jo Beoordeling Huiswerkopgaven 20%, tentamen 80%

Deeltjesfysica `De studie van Materie, Energie, Ruimte en Tijd Unificatie Gravitatie Kosmische Connecties Ambities van de Elementaire Deeltjesfysica

Palet van deeltjesfysica We hebben veel gereedschap tot onze beschikking van moderne versnellers tot satellieten in de ruimte tot experimenten diep ondergronds. Accelerator LHC Magnet Space Subterranean SNO, Antares, Icecube The science requires forefront accelerators at the energy and luminosity frontiers. But, it also requires innovative experiments in space, underground, and away from accelerators. Najaar 2008 4

Recente ontdekkingen wijzen naar een nieuwe wereld Heelal bestaat uit `dark particles, onbekend en het zijn geen atomen. Een vreemde `dark force doordringt de ruimte en drijft die uit elkaar. Krachtige nieuwe ideëen Nieuwe deeltjes Nieuwe krachten Verborgen dimensies String theorie voorspelt dat er zeven extra ruimtelijke dimensies wachten om ontdekt te worden. 5

Inhoud Inleiding Feynman berekeningen Deeltjes Gouden regel Interacties Feynman regels Relativistische kinematica Lorentz transformaties Viervectoren Energie en impuls Symmetrieën Quarks en hadronen Behoudwetten Quarkmodel Discrete symmetrieën Relativistische quantumveldentheorie Diagrammen Elektrodynamica Dirac vergelijking Werkzame doorsneden Elektron-quark interacties Hadron productie in e + e - Zwakke wisselwerking Muon verval Unificatie

Inleiding: waar de wereld van gemaakt is De wereld om ons heen en het Universum zijn opgebouwd uit een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie die gewoon waren in het prille begin van het Universum. Het is verrassend dat deze grote varieteit gemaakt is van een relatief klein aantal eenvoudige bouwstenen.

Concept: atoom Zuiver filosofisch denken

Het periodieke systeem Mendeleev (1869) introduceerde het periodieke systeem

De structuur van atomen Rutherford (1912) toonde aan dat atomen een centrale kern bevatten 10-10 m Elektronen draaien rond de kern met precies gedefinieerde energie en slecht gedefinieerde posities

Deeltjesfysica Elementair sinds 1974 Elementair sinds 1897 Reductionisme

Gewone materie Alle materie is gemaakt van bijna honderd soorten atomen De kern bestaat uit positieve protonen en neutrale neutronen elk zo n 2000 keer zwaarder dan het elektron. Het elektron lijkt geen interne structuur te hebben. Protonen en neutronen zijn echter samengestelde deeltjes. De quarks lijken weer geen structuur te hebben. Enkel twee soorten quarks, `up en `down genaamd, zijn nodig om het proton en neutron te bouwen (met ladingen +2/3 and -1/3 ten opzichte van de lading van het elektron van -1. Er is nog een structuurloos deeltje nodig om het beeld compleet te maken. Het elektron-neutrino. 12

Kosmische materie Theodore Wulf: meer straling in de top van de Eiffel toren dan op de grond. Studies op bergtoppen en met ballonnen: `kosmische straling door showers van hoog-energetische protonen. Nieuwe soorten deeltjes worden gevonden. Op de grond vooral muonen. Dat zijn net elektronen, maar dan 210 keer zwaarder. De muonen komen van het verval van kortlevende deeltjes, die soms een derde type quark bevatten: het vreemde quark. Dus behalve het elektron, elektronneutrino, up quark en down quark, hebben we het muon, muon-neutrino en het vreemde quark nodig. 13

Muonen zichtbaar maken met vonkenkamer

Het muon Ontdekt in kosmische straling door Neddermeyer en Anderson (1936) Lijkt identiek aan het elektron, maar 200 keer zo massief Vervalt binnen 2.2 msec Who ordered that? - I I Rabi

Drie families: 1897-2000 quarks leptonen Massa s van deeltjes in MeV; 1 MeV 1.8 10 27 gram

Quarks en leptonen Quarks Leptonen

Deeltjesversnellers

Licht: golven en deeltjes E (ev) = 1200 [nm] Zichtbaar geel licht: = 600 nm E = 2 ev Röntgen straling: = 0,1 nm E = 12 kev

Met zichtbaar licht kun je structuren in een cel ontrafelen (~ 1 mm) Met Röntgenstraling kun je de structuur van kristallen bepalen (~ 0.1 nm)

Elektronen: deeltjes en golven Net als Röntgenstraling (links) gedraagt ook een elektronenbundel zich als een golf (rechts) [nm] = 1200 E (ev)

Toepassing: elektronenmicroscoop Hiermee kun je b.v. de structuur van virussen en eiwitten bestuderen ( ~ 0.01 nm) Najaar 2008

De grootste microscoop: LHC te CERN Ring van 27 km omtrek 100 meter onder de grond 4 interactie punten waar protonen botsen

Elektron-positron botsingen Annihilatie produceert energie - mini Big Bang g g e - e + Elektron (materie) g g Positron antimaterie Deeltjes en antideeltjes worden geproduceerd E = mc 2

E=mc 2 : creatie van materie en antimaterie g ee e e Z qq Als materie uit energie wordt gemaakt, dan wordt er altijd evenveel antimaterie geproduceerd

Het foton Wat is licht? - elektromagnetische straling is gekwantiseerd (foton) - foto-elektische effect - Compton scattering Elektrostatische afstoting van twee elektronen - elektrostatisch veld - deeltjesuitwisseling (boodschappers)

De mesonen Waarom zijn atoomkernen stabiel? - sterke wisselwerking Yukawa (1934): uitgewisseld meson (analoog aan foton voor EM) dracht (range) m p = 140 MeV a = 10-15 m Powell (1947): ontdekking van het pion in kosmische straling 28

Antimaterie

De voorspelling van antimaterie Paul Dirac voorspelde het bestaan van het positron in 1928 Dirac AntiDirac De enige vergelijking in Westminster Abbey?

deeltjes en antideeltjes Relativistische golfvergelijking Klein-Gordon vergelijking Twee oplossingen voor de energie Golffunctie met positieve energie negatieve energie Tijdsrichting omkeren komt neer op lading omkeren: positron 31

Antimaterie Elk deeltje heeft antideeltje met dezelfde massa levensduur spin maar tegenovergestelde lading magnetisch moment en andere quantumgetallen Deeltjes en antideeltjes annihileren e + +e - g+g Maar ook gecreeerd worden g e + +e - Voorbeeld: positron

Productie van e + e - paren Het paarcreatie proces, waarbij g-straling overgaat in een elektron-positron paar

De ontdekking van antimaterie Anderson (1932) ontdekte het door Dirac voorspelde positron

Het ATHENA experiment op CERN CERN 1996: 9 antiatomen gemaakt, maar deze verdwenen snel CERN experiment ATHENA in 2002: 50.000 antiatomen waterstof gemaakt Start Trek s warp drive? Alle antiatomen op CERN gemaakt in een jaar: 100 W lamp, kwartier

Neutrino s

Twee-deeltjes verval d 1 + 2 227 Th 223 Ra + a Discreet spectrum 37

Drie-deeltjes verval d 1 + 2 + 3 64 Cu Zn/Ni + e + n Energiebehoud geschonden? Het elektron energiespectrum Pauli (1930)postuleert het bestaan van een neutrino! Ontdekt in 1959 door Cowan and Reines 38

Behoud van lading Verval van elektron: t > 4.6 10 26 jaar Lading is veelvoud van e Additief quantumgetal Ladingsbehoud corresponderende symmetrie? Lading quarks: Q u = +2/3 en Q d = -1/3 Isospin: u en d quarks hebben isospin ½ Up quark heeft projectie + ½ en down quark - ½

Behoud van baryongetal Proton is ook stabiel t > 2.1 10 29 jaar Baryongetal B = 1 voor p en n quarks B = 1/3 antiquarks B = -1/3 Leptonen, mesonen hebben B = 0

Behoud van leptongetal Observatie: verval treedt in paren op: e e, m m, t t Voer leptongetallen in L e, L m, L t spin neutrino: 1/2 Verschil tussen neutrino s en antineutrino s?

Cowan en Reines: detectie neutrino Basisidee van experiment Gebruik antineutrino s Kernreactor als bron (700 MW) Detector: 200 liter water + CdCl 2 Vloeistofscintillatoren (3-1400 liter elk) Resultaat: 42

Davis: detectie neutrino Bij dezelfde reactor gemeten: reactie verloopt niet! Neutrino s van de zon induceren de reactie: Neutrino s en antineutrino s zijn verschillende deeltjes Echter: flux factor 2 3 te laag! Opgelost: neutrino oscillaties! Neutrino s hebben massa!!!

Zware neutrino s Pion verval Antideeltjes hebben dezelfde levensduur en B.R. Reacties B.R. < 10 12 treedt niet op Najaar 2008 44

Vreemdheid

Kaonen K + C.F. Powell 1950 Najaar 2008 46

Vreemdheid Nieuwe mesonen en baryonen Eenvoudig in paren te produceren (`associated production ) Sterke wisselwerking Additief quantumgetal S (vreemheid): s-quark Lange levensduur Zwakke wisselwerking Najaar 2008 47

Ontdekking anti-omega-min baryon Produceer deeltje met vreemdheid S = 3 Verval via Najaar 2008 48

Quarkmodel: The eigthfold way

Quarksystemen: hadronen meson en baryon multipletten d s qq us qqq su sd pseudoscalar (J P = 0 - ) octet + singlet Najaar 2008 50

Quarkmodel: mesonen Mesonen qq toestanden Beschouw u, d en s Gewichtsdiagram (Y,T 3 ) Pseudoscalaire mesonen Constante lading 51

Quarkmodel: pseudoscalaire mesonen Pseudoscalaire mesonen Hoekpunten Centrum Najaar 2008 52

Quarkmodel: vector mesonen Pseudoscalaire mesonen Menghoek 35 o Deeltjes hebben grotere massa Najaar 2008 53

Quarkmodel: baryonen Baryonen qqq toestanden Enkel deeltjes, geen antideeltjes Geen baryonen met positieve vreemdheid Groepentheorie

Quarkmodel: octet Octet Deeltjes stabiel in sterke wisselwerking Massaformule Najaar 2008 55

Quarkmodel: decouplet Decouplet SU(3) kleur Pauli principe Omega-min Najaar 2008

Meson massa s Berekend met constituent quark massa s en kleur-magnetische massa splitsing: M qq m q u, d m q M JJ vrije parameters: constituent q massa s: m m s 310MeV 483MeV / c / c 2 2 Najaar 2008

Baryon massa spectrum usd uds - mass splitsing 80 MeV/c 2 vanwege spin-spin interactie Systematiek leidt tot empirische massa formules

Zware quarks: c, b en t J/ - meson Najaar 2008 SU(4) klassificatie

meson Why J

Samenvattend: de acteurs

Quarks en leptonen Quarks Leptonen