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

Wetenschappelijke Nascholing Deel 1: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Dirk Ryckbosch Fysica en Sterrenkunde 9 oktober 2017 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 1 / 40

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 2 / 40

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Neutrino-astronomie Steriele neutrino s? Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 2 / 40

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Neutrino-astronomie Steriele neutrino s? 23/10/2017: En wat met de overige 96%? Elementaire deeltjes en kosmologie Donkere materie Donkere energie Het grote onbekende Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 2 / 40

Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 3 / 40

1803: John Dalton stelt atomen voor 20 gekend ( hydrogen, azote, carbone, oxygen,... ) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 5 / 40

1871: Dimitri Mendeleev Stelt Periodiek Systeem der elementen voor 56 gekend Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 6 / 40

Atomen anno 2017 100 atomen gekend kleinste dingen die individueel zichtbaar zijn afmetingen: 0.000 000 000 1 m = 10 10 m Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 7 / 40

1897: J.J.Thomson ontdekt elektron Kathodestralen : negatief geladen deeltjes negatief geladen onderdeel van atoom Atomen zijn ongeladen: waar zit positieve lading? Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 8 / 40

1912: E.Rutherford ontdekt atoomkern Positief geladen kern in atoom Veel kleiner dan atoom: 10 14 m Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 9 / 40

1900: H.Becquerel, P.&M.Curie ontdekken radioactiviteit Omzetting van atoomkernen in elkaar atoomkernen zijn geen fundamentele deeltjes Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 10 / 40

Kernstructuur 1917: E.Rutherford: ontdekking proton Positief geladen bestanddeel atoomkern 1932: E.Chadwick: ontdekking neutron Ongeladen bestanddeel atoomkern Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 11 / 40

Kernstructuur 1917: E.Rutherford: ontdekking proton Positief geladen bestanddeel atoomkern 1932: E.Chadwick: ontdekking neutron Ongeladen bestanddeel atoomkern Proton + neutron atoomkern Atoomkern + elektron atoom Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 11 / 40

Kernstructuur 1917: E.Rutherford: ontdekking proton Positief geladen bestanddeel atoomkern 1932: E.Chadwick: ontdekking neutron Ongeladen bestanddeel atoomkern Proton + neutron atoomkern Atoomkern + elektron atoom Nieuwe krachten nodig Kernkracht: om protonen en neutronen te binden Zwakke kracht: voor radioactief verval Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 11 / 40

Krachten Deeltjes interageren via veld Kleinst mogelijke golf in veld = deeltje Elektromagnetisch veld foton Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 12 / 40

elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 13 / 40

elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Zwaartekracht, elektromagnetisme: kracht 1 r 2 Kernkracht, zwakke kracht: beperkt tot 10 14 m Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 13 / 40

elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Zwaartekracht, elektromagnetisme: kracht 1 r 2 Kernkracht, zwakke kracht: beperkt tot 10 14 m 1935: H.Yukawa Krachtdeeltjes met massa korte dracht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 13 / 40

elektromagnetisme radiogolven fotonen zwaartekracht gravitatiegolven gravitonen (?) kernkracht????π? zwakke kracht????w, Z Zwaartekracht, elektromagnetisme: kracht 1 r 2 Kernkracht, zwakke kracht: beperkt tot 10 14 m 1935: H.Yukawa Krachtdeeltjes met massa korte dracht 1968: S.Glashow, S.Weinberg, A.Salam Vectordeeltjes voor zwakke kracht: W, Z Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 13 / 40

1930-1939: ontdekkingen in Kosmische Straling positron (anti-deeltje van elektron) muon (zwaardere versie van elektron) pion (Yukawa krachtdeeltje?) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 14 / 40

1945 -...: ontdekkingen met deeltjesversnellers anti-proton kaonen rho-mesonen Λ-hyperonen... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 15 / 40

1960-1964: quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 16 / 40

1960-1964: quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren u + u + d proton p u + d + d neutron n proton + neutron atoomkern atoomkern + elektronen atoom atoom + atoom molecule Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 16 / 40

1960-1964: quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren u + u + d proton p u + d + d neutron n Sterke kracht proton + neutron atoomkern atoomkern + elektronen atoom El.magn. kracht atoom + atoom molecule niets Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 16 / 40

1960-1964: quarks protonen, neutronen,... bestaan uit quarks quarks vormen protonen via sterke kracht 3 quarks (u, d, s) nodig om alle deeltjes (1970) te verklaren u + u + d proton p u + d + d neutron n Sterke kracht proton + neutron atoomkern Kernkracht atoomkern + elektronen atoom El.magn. kracht atoom + atoom molecule Moleculaire kracht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 16 / 40

Materiedeeltjes Quarks (1970: u, d, s) Leptonen (1970: e, µ) Krachten Sterke kracht Zwakke kracht Elektromagnetische kracht Zwaartekracht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 17 / 40

Materiedeeltjes Quarks (1970: u, d, s) Leptonen (1970: e, µ) Krachtdeeltjes Gluonen (g) Vectordeeltjes (W, Z) Fotonen (γ) Gravitonen (?) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 17 / 40

Materiedeeltjes Quarks (2017: u, d, s, c, b, t) Leptonen (2017: e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ ) Krachtdeeltjes Gluonen (g) Vectordeeltjes (W, Z) Fotonen (γ) Gravitonen (?) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 17 / 40

Materiedeeltjes 3 generaties u, d, e, νe c, s, µ, ν µ t, b, τ, ν τ Elke generatie zwaarder dan vorige Fundamentele krachten Sterke kracht: gluonen, massaloos Zwakke kracht: W, Z, massief Elektromagnetisme: fotonen, massaloos Zwaartekracht: gravitonen, massaloos Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 19 / 40

Materiedeeltjes 3 generaties u, d, e, νe c, s, µ, ν µ t, b, τ, ν τ Elke generatie zwaarder dan vorige Fundamentele krachten Sterke kracht: gluonen, massaloos Zwakke kracht: W, Z, massief Elektromagnetisme: fotonen, massaloos Zwaartekracht: gravitonen, massaloos Oorsprong massa? Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 19 / 40

Eenmaking krachten 1875: J.C.Maxwell: elektriciteit + magnetisme = elektromagnetisme Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 20 / 40

Eenmaking krachten 1875: J.C.Maxwell: elektriciteit + magnetisme = elektromagnetisme Elektromagnetisme + zwak = elektrozwak? Massaloos foton Massieve W, Z Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 20 / 40

Eenmaking krachten 1875: J.C.Maxwell: elektriciteit + magnetisme = elektromagnetisme Elektromagnetisme + zwak = elektrozwak? Spontane symmetriebreking Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 20 / 40

Spontane symmetriebreking 1961: Nambu: spontane symmetriebreking door interactie met veld Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 21 / 40

Spontane symmetriebreking 1961: Nambu: spontane symmetriebreking door interactie met veld 1963: Brout, Englert Higgs Guralnik, Hagen, Kibble: Krachtdeeltjes interageren met veld: krijgen massa Materiedeeltjes koppelen ook met veld Vrij velddeeltje: massief H-boson Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 21 / 40

Brout-Englert-Higgs mechanisme Voer nieuw veld in Deeltjes koppelen aan veld Koppelingssterkte massa Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 23 / 40

Brout-Englert-Higgs mechanisme Voer nieuw veld in Deeltjes koppelen aan veld Koppelingssterkte massa Voorspelling: Nieuw deeltje: H-boson Leeft zeer kort Vervalt in lichtere deeltjes Koppeling massa Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 25 / 40

Hoe H-deeltje maken? Botsen van versnelde deeltjes e + + e H u + ū H e, u,... veel te licht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 26 / 40

Hoe H-deeltje maken? Botsen van versnelde deeltjes e + + e H u + ū H e, u,... veel te licht LHC-versneller 100 000 000 botsingen/sec 5 H/min Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 26 / 40

LHC Versnelt protonen tot 13 TeV: 99.999999% van de lichtsnelheid Twee bundels in tegengestelde richting Magneetvelden tot 8.3 T: 200 000 aardmagnetisch veld Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 28 / 40

CMS: Compact Muon Solenoid > 36 landen > 180 instituten > 3000 fysici 6 Belgische universiteiten (VUB, UA, UGent, UCL, ULB, UMH) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 30 / 40

CMS: Compact Muon Solenoid > 36 landen > 180 instituten > 3000 fysici 6 Belgische universiteiten (VUB, UA, UGent, UCL, ULB, UMH) Totaal gewicht Diameter Lengte Magnetisch veld 12 500 ton 15 m 21.6 m 4 T Evenveel staal als de Eiffeltoren Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 32 / 40

LHC - runs Moeilijke start in 2009 Start half 2010 langzaam opbouwen intensiteit 2011: eerste goede run 2012: iets hogere energie, 4 meer intensiteit 2013-2014: herstellingen, upgrade 2015-2018: hogere energie, hogere intensiteit Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 34 / 40

2011-2012 Zoektocht naar H-boson in alle mogelijke vervalkanalen eerste indicaties: december 2011 4 juli 2012: ontdekking Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 35 / 40

Zomer 2013 Hoeveelheid gegevens verdubbeld Nu ook: H b b, H τ + τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 36 / 40

Zomer 2013 Hoeveelheid gegevens verdubbeld Nu ook: H b b, H τ + τ Koppeling massa! Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 36 / 40

Zomer 2013 Hoeveelheid gegevens verdubbeld Nu ook: H b b, H τ + τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 36 / 40

Standaard Model Alle bekende deeltjes passen in schema 6 quarks: u, d, s, c, b, t 6 leptonen: e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ 3 krachten: γ, W, Z, g Massa via H-veld Verklaart bijna alle fenomenen in versnellerlabs Legt basis voor alle verdere fysica, chemie,... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 38 / 40

Standaard Model Alle bekende deeltjes passen in schema 6 quarks: u, d, s, c, b, t 6 leptonen: e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ 3 krachten: γ, W, Z, g Massa via H-veld Verklaart bijna alle fenomenen in versnellerlabs Legt basis voor alle verdere fysica, chemie,... Paar kleine probleempjes Massa neutrino s Massa H-deeltje Zwaartekracht Donkere materie Donkere energie... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 38 / 40

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Neutrino-astronomie Steriele neutrino s? 23/10/2017: En wat met de overige 96%? Elementaire deeltjes en kosmologie Donkere materie Donkere energie Het grote onbekende Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 9 oktober 2017 39 / 40