Elementaire Deeltjesfysica

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

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

Elementaire Deeltjesfysica

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

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

Elementaire Deeltjesfysica

Elementaire Deeltjesfysica

6 SYMMETRIEBREKING 222

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

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

Quantummechanica en Relativiteitsleer bij kosmische straling

H2: Het standaardmodel

Elementaire Deeltjesfysica

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

Elementaire Deeltjesfysica

Majorana Neutrino s en Donkere Materie

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

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

Materie bouwstenen van het heelal FEW 2009

VERENIGDE DEELTJESINTERACTIES

Elementaire deeltjes 2 College 8 Maandag 23 maart 2009

EEN ONTDEKKINGSREIS NAAR HET ALLERKLEINSTE EN ALLERGROOTSTE

Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd

Symmetie en Symmetrie. in het Standaard Model

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

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

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

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

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

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

2.1 Elementaire deeltjes

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

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

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

Deeltjesfysica in vogelvlucht. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen / Nikhef

Samenvatting. (Summary in Dutch)

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

De behoefte aan organisatie van het groot aantal gekende deeltjes (meestal sterk vervallende resonanties) is analoog aan de organisatie van elementen

Relativistische kinematica

De ontdekking van het Higgs boson. Ivo van Vulpen

Samenvatting. Deeltjesfysica en het Standaard Model

gegevens van LEP aan de voorspellingen van het Standaard Model.

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

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Elementaire deeltjes 2 College 7 Maandag 16 maart 2009

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

De bouwstenen van het heelal Aart Heijboer

Samenvatting PMN. Golf en deeltje.

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

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Nederlandse samenvatting

Van atoom tot kosmos

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Symmetrieën. 7 april prof Stan Bentvelsen en prof Jo van den Brand Nikhef Science Park XG Amsterdam

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

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

Het GIM mechanisme werd voorgesteld door S. Glashow, J. Illiopoulos en L. Maiani om een consistente theorie van de zwakke wisselwerkingen te bekomen.

Samenvatting. Geen probleem is te klein of te triviaal als je er echt iets aan kunt doen. R. Feynman

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

Het Higgs-deeltje ontdekt. En wat dan?

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

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

vorige First Encounter

Deeltjes en velden. HOVO Cursus. Jo van den Brand 17 oktober

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

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

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

KERNEN & DEELTJES VWO

Massahysterie over het massamysterie. dr. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen & Nikhef

Hoe werken krachtdeeltjes

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

Experimentele ontdekking van de Intermediaire Vector Bosonen... Pierre Darriulat Simon van der Meer. Carlo Rubbia.

Een Lied over Bomen en Pinguïns

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)

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

IN AFWACHTING VAN HET ZESDE QUARK 1. door. Pierre van Baal, Instituut-Lorentz, Universiteit Leiden

Meesterklas Deeltjesfysica. Universiteit Antwerpen

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

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

Bachelorproject: Onderscheiden van signaal en achtergrond in de CMS-detector van LHC te CERN. Promotor: Jorgen D'Hondt. Academiejaar

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

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

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

Elementaire Deeltjesfysica

WGAS: 21/11/2013. Charles Ramsdonck

Deeltjes binnen het standaardmodel

Het Quantum Universum. Cygnus Gymnasium

Detectie van kosmische straling

nieuw deeltje deeltje 1 deeltje 2 deeltje 2 tijd

Unitarity methods and On-shell Particles in Scattering Amplitudes R.J. Rietkerk

arxiv: v1 [hep-ph] 13 Dec 2014

Elementaire Deeltjes en Groepentheorie Geert Gordebeke 8 juli 2009

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

1 Uitgewerkte opgaven: relativistische kinematica

Samenvatting. Bouwstenen van de natuur

Het berekenbare Heelal

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

Transcriptie:

Elementaire Deeltjesfysica FEW Cursus Jo van den Brand 3 November, 2009 Structuur der Materie

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

Drie families: 1897-2000 quarks leptonen Massa s van deeltjes in MeV; 1 MeV 1.810 27 gram Jo van den Brand

Interacties - dynamica Jo van den Brand

Krachten De bouwstenen van de natuur vormen structuren, van protonen to sterrenstelsels. Dit komt omdat deeltjes met elkaar wisselwerken. De bekendste kracht is gravitatie. Hierdoor staan we op aarde en bewegen de planeten rond de zon. Gravitatie is met name belangrijk in massieve objecten en is zwak tussen individuele bouwstenen. Een sterkere fundamentele kracht manifesteert zich in de effecten van elektriciteit en magnetisme. De elektromagnetische kracht bindt negatieve elektronen aan de positieve kernen in atomen. Het geeft ook aanleiding tot de vorming van moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen. Najaar 2007 Jo van den Brand Omega Centauri globular cluster

Zwakke wisselwerking Najaar 2007 Jo van den Brand d pu u W d u d n e e

Interacties: QED, QCD, EZ, Gravitatie EM Gravitatie 7

Feynman diagrammen - QED tijd Moller scattering Elementair process - vertex - propagator - asymptotische toestand - structuur qq - antideeltje notatie Feynman 1965 Bhabha scattering Najaar 2007 Jo van den Brand 8

Feynman diagrammen - QED Bhabha scattering

Feynman diagrammen - QED Pair annihilation Pair production Compton scattering Hierbij wordt gebruik gemaakt van crossing symmetry: als A + B C + D toegestaan, dan is ook A + C B + D dynamisch toegestaan. Jo van den Brand

Feynman diagrammen - QED Hogere-orde bijdragen tot de overgangsamplitude Interne deeltjes zijn virtueel (niet waarneembaar) Elke vertex levert een factor 1/137 Jo van den Brand

Feynman diagrammen - QCD Elementair process - structuur qgq - vertex koppeling (~1) Gluonen dragen kleurlading Gluonen hebben zelfkoppeling D.J. Gross H.D. Politzer F. Wilczek 2004 Najaar 2007 Jo van den Brand 12

Feynman diagrammen - QCD Kracht tussen twee protonen Kracht tussen twee quarks door gluon uitwisseling Een quark uit een proton trekken Confinement Jo van den Brand 13

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Of absorbeer een W + Lepton: geladen vertex Quark: geladen vertex Voorspeld door GWS Lepton: neutrale vertex Quark: neutrale vertex Geen flavor changing neutral currents! Najaar 2007 Jo van den Brand 14

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Glashow Weinberg Salam 1979 Nodig voor de interne consistentie van de Glashow, Weinberg en Salam (GWS) theorie Geladen Ws koppelen aan het foton Najaar 2007 Jo van den Brand 15

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Muon-neutrino verstrooiing Rubbia Van der Meer 1984 Muon verval Neutrino verstrooiing Ontdekking van Z op CERN (1973) Correctie op de Coulomb interactie Najaar 2007 Jo van den Brand 16

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Semi-leptonisch proces Pion verval Neutron verval Najaar 2007 Jo van den Brand 17

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Verval van neutrale Delta: via zwakke wisselwerking Verval van neutrale Delta: via sterke wisselwerking Najaar 2007 Jo van den Brand 18

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht M. Veltman t Hooft 1999 Neutrino scattering Het lijkt eenvoudig dat quarks de elektrozwakke wisselwerking op dezelfde wijze als leptonen ondergaan Niet helemaal Najaar 2007 Jo van den Brand 19

Universaliteit van de zwakke interactie Zwakke doubletten: e u u,, e L L d dcos sin L c s c L L g g cos C g sin C e e g 4 purely leptonic cos 0 4 2 n pe e g C semi-leptonic, S 0 4 2 pe e g C semi-leptonic, S sin 1 Najaar 2007 Jo van den Brand 20

Kobayashi, Maskawa and CP Violation b W gv ub u Progress of Theoretical Physics 49, 652 (1973) Sterkte van de vertex koppeling is gv ij g is de universele Fermi zwakke koppeling V ij hangt af van betrokken quarks Voor leptonen is de koppeling g Voor 3 generaties is V ij een 3x3 matrix Deze matrix heet de CKM matrix (Cabibbo, Kobayashi, Maskawa) De matrix roteert de quarktoestanden van een basis met massa eigentoestanden in een waarin ze zwakke eigentoestanden zijn Najaar 2007 Jo van den Brand V d V s V b V V V V V V V V V V ud cd td ud us ub CKM cd cs cb td ts tb V V V us cs ts V V V ub cb tb d s b

Nobelprijs natuurkunde 2008 Yoichiro Nambu Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa "for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics" "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature"

CKM matrixelementen Grootte 90% confindence level 0.9739 to 0.9751 0.221 to 0.227 0.0029 to 0.0045 0.221 to 0.227 0.9730 to 0.9744 0.039 to 0.044 0.0048 to 0.014 0.037 to 0.043 0.9990 to 0.9992 t c b s d V ub << V cb << V us u Matrix diagonaal: b en s stabiel Bijna diagonaal: b en s verval onderdrukt Dus, B mesonen en kaonen hebben lange levensduur Najaar 2007 Jo van den Brand 23

Samenvatting Jo van den Brand

Yukawa potentiaal Relativistische golfvergelijking Klein-Gordon vergelijking Statische oplossing Als M X = 0 dan als elektrostatica Yukawa 1949 Als M X 0 Relatie tussen range en massa Jo van den Brand

Mesonen - het pion 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 C.F. Powell 1950 Najaar 2007 Jo van den Brand 26

Kaonen K + K 0 p p Najaar 2007 Jo van den Brand 27

Isospin +1/2 K ( su) K 0 ( sd ) -1/2 K 0 ( sd ) K ( su) +1-1 Vreemde deeltjes Vreemdheid E 0 0 p drempel (GeV) p p K 0 0 0.91 p p K n n 6.0 0 p p K K p 1.5 Jo van den Brand In het algemeen: moeilijker (i.e. hogere drempel) om S=-1 deeltjes te maken dan S=+1 als het target een p of n (i.e. materie!) is, en de bundel uit p + or p - bestaat Voor S=+1, dienen we ergens een antiquark vandaan te halen Een pure K 0 of K + bundel maken: onder de drempel

Observaties: 1) Grote productie werkzame doorsnede 2) Lange levensduur deeltjes worden altijd in paren gemaakt Jo van den Brand

Vreemdheid Nieuwe mesonen en baryonen Eenvoudig in paren te produceren (`associated production ) Additief quantumgetal S (vreemheid): s-quark Lange levensduur Sterke wisselwerking behoudt vreemdheid Zwakke wisselwerking niet! Najaar 2007 Jo van den Brand 30

Quarksystemen: hadronen u, d, s quarks: meson en baryon multipletten d s qq us qqq su sd pseudoscalar (J P = 0 - ) octet + singlet Najaar 2007 Jo van den Brand 31

Baryon massa spectrum Gell-Mann 1969 usd uds - mass splitsing 80 MeV/c 2 vanwege spin-spin interactie Systematiek leidt tot diverse empirische massa formules Jo van den Brand

SLAC: y3105 Brookhaven: J Ontdekking van de J/y Sam Ting en Burt Richter kregen in 1976 de Nobelprijs voor hun ontdekking cc Jo van den Brand 33

Wat de naam betreft: Waarom y? Verval is: y(2s) J/y + p + + p - Gevolgd door J/y e + e - Het is handig als een deeltje zich zelf een naam geeft! Mark I (SPEAR) Event Display Jo van den Brand

1977: Ontdekking van de 1988 bb Najaar 2007 Jo van den Brand 35

Verrassing: de B meson levensduur MAC en MARK-II waren Detectoren bij PEP, een 30 GeV e + e - collider op SLAC (Stanford) Jo van den Brand

Najaar 2007 Ontdekking Top Quark: CDF & D0, 1994/5

Behoud van lading Verval van elektron: t > 4.6 10 26 jaar Lading is veelvoud van e Additief quantumgetal Ladingsbehoud corresponderende symmetrie? Jo van den Brand

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 Jo van den Brand

Behoud van leptongetal Pion verval Antideeltjes hebben dezelfde levensduur en B.R. Reacties B.R. < 10 12 treedt niet op Najaar 2007 Jo van den Brand 40

CP schending: materie-antimaterie asymmetrie Jo van den Brand

Antimaterie Elk deeltje heeft antideeltje met dezelfde massa levensduur spin maar tegenovergestelde lading magnetisch moment en andere quantumgetallen Deeltjes en antideeltjes annihileren e + +e - + Maar ook gecreeerd worden e + +e - P. Dirac 1933 Jo van den Brand

De ontdekking van antimaterie 23 MeV/c C. Anderson 1936 Anderson (1932) ontdekte het door Dirac voorspelde positron 6 mm lead B = 1.5 T Najaar 2007 Jo van den Brand 43

Kaon verval m K ~ 494 MeV/c 2 1. Er bestaan geen vreemde deeltjes lichter dan de kaonen Verval schendt dus vreemdheid 2. Sterke wisselwerking behoudt vreemdheid Verval is zuivere zwakke interactie Hadronic decays: K K K K 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 p p, p p p, p p p p p, p p p, p p p p p, p p p, p p, p p p p p, p p p, p p, p p p 0 0 0 0 0 0 Semi-leptonic decays: K K K K 0 0 0 0 0 0 p, p e p, p e p, p e p, p e e e e e leptonic decays: K K K K 0 0, e, e, e e, e e e e Hadronisch en leptonisch verval: Deeltje en anti-deeltje gedragen zich hetzelfde Semi-leptonisch verval: Deeltje en anti-deeltje zijn verschillend van elkaar! Najaar 2007 Jo van den Brand 44

Vreemdheid oscillaties Semi-leptonisch verval CPLEAR, PLB 1999 K 0 K 0 Verschil tussen materie en antimaterie (K 0 -K 0 )/(K 0 +K 0 ) Cronin & Fitch 1980 decaytime / t KS Najaar 2007 Jo van den Brand 45

CP is a broken symmetry! Jo van den Brand