Gravitatie en kosmologie



Vergelijkbare documenten
Materie bouwstenen van het heelal FEW 2009

Thermodynamica rol in de moderne fysica Jo van den Brand HOVO: 27 november 2014

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

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

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur

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

De bouwstenen van het heelal Aart Heijboer

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

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

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

Gravitatie en kosmologie

Sterren kijken op de bodem van de zee Aart Heijboer

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

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

De ontdekking van het Higgs boson. Ivo van Vulpen

HOVO cursus Kosmologie

De Large Hadron Collider 2.0. Wouter Verkerke (NIKHEF)

1 Leerlingproject: Kosmische straling 28 februari 2002

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

Quantummechanica en Relativiteitsleer bij kosmische straling

Wetenschappelijke Nascholing Deel 2: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s

Elementaire Deeltjesfysica

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

12/2/16. Inleiding Astrofysica College november Ignas Snellen. Kosmologie. Studie van de globale structuur van het heelal

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

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

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

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

Elementaire Deeltjesfysica

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

Gravitatie en kosmologie

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

Overzicht (voorlopig) Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen 2015

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

Neutrinos sneller dan het licht?

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

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

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

Sterrenkunde Ruimte en tijd (3)

Majorana Neutrino s en Donkere Materie

EEN ONTDEKKINGSREIS NAAR HET ALLERKLEINSTE EN ALLERGROOTSTE

Aarde Onze Speciale Woonplaats

H2: Het standaardmodel

Gravitatie en kosmologie

Hoe werken krachtdeeltjes

Astrofysica. Ontstaan En Levensloop Van Sterren

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur. Resultaten uit 1 e jaar van de LHC. Ivo van Vulpen

Waarvan is het heelal gemaakt? Hoe is het allemaal begonnen?

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?

Probus Aalsmeer 20 mei Alles en Niks. VAN DE OERKNAL TOT HIGGS Niels Tuning. Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

Gravitatie en kosmologie

Thermodynamica rol in de moderne fysica Jo van den Brand HOVO: 4 december 2014

Probus 23 apr Alles en Niks. VAN DE OERKNAL TOT HIGGS Niels Tuning. Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

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

Uitdijing van het heelal

Evolutie van Zon en Sterren

Van atoom tot kosmos

Nieuwe Meer 26 okt Alles en Niks. VAN DE OERKNAL TOT HIGGS Niels Tuning. Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

Newtoniaanse kosmologie De kosmische achtergrondstraling Liddle Ch Het vroege heelal Liddle Ch. 11

Donkere Materie Een groot mysterie

Werkstuk Natuurkunde Het Higgsboson

Newtoniaanse kosmologie 5

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

De evolutie van het heelal

Bram Achterberg Afdeling Sterrenkunde IMAPP, Radboud Universiteit Nijmegen

Een mooi moment is er rond een honderdduizendste van een seconde. Ja het Universum is nog piepjong. Op dat moment is de temperatuur zover gedaald dat

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

2.1 Elementaire deeltjes

De zoektocht naar het Higgs boson. Ivo van Vulpen

Symmetie en Symmetrie. in het Standaard Model

Deeltjesfysica in vogelvlucht. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen / Nikhef

Gravitatie en Kosmologie

Het Quantum Universum. Cygnus Gymnasium

Detectie van kosmische straling

Het berekenbare Heelal

KERNEN & DEELTJES VWO

Gevaar uit de ruimte

Gravitatie en kosmologie

STERREN EN MELKWEGSTELSELS

Op zoek naar nieuwe deeltjes met de LHC deeltjesversneller

HET PROJECT LARGE HADRON COLLIDER

Gravitatie en kosmologie

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Thermodynamica rol in de moderne fysica Jo van den Brand HOVO: 13 november 2014

Energie-omzetting: omzetting van de ene energiesoort in de andere. Energie-overdracht: overdracht van energie van het ene voorwerp aan het andere.

Lichtsnelheid Eigenschappen

Speciale relativiteitstheorie

De OERKNAL (BIG BANG) en daarna

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

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

Nieuwe resultaten van de zoektocht naar het Higgs deeltje in ATLAS

Samenvatting PMN. Golf en deeltje.

Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd

3 Quantumfysische verschijnselen in het universum

Overzicht. Vandaag: Frank Verbunt Het heelal Nijmegen uitdijing heelal theorie: ART afstands-ladder nucleo-synthese 3 K achtergrond.

Deeltjes in Airshowers. N.G. Schultheiss

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Transcriptie:

Gravitatie en kosmologie FEW cursus Jo van den Brand & Laura van der Schaaf Quantumfysische verschijnselen: 9 september 2014

Inhoud Inleiding Overzicht Klassieke mechanica Galileo, Newton Lagrangeformalisme Quantumfenomenen Neutronensterren Wiskunde I Tensoren Speciale relativiteitstheorie Minkowski Ruimtetijd diagrammen Wiskunde II Algemene coordinaten Covariante afgeleide Algemene relativiteitstheorie Einsteinvergelijkingen Newton als limiet Kosmologie Friedmann Inflatie Gravitatiestraling Theorie Experiment Najaar 2009 Jo van den Brand

Waar de wereld van gemaakt is De wereld kent een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie. Vraag: bestaan er fundamentele bouwstenen? (liefst een klein aantal )

Het concept van elementen In de filosofie van Aristoteles waren er vier elementen Dalton (1808) rangschikte, op gewicht veel van de elementen die we vandaag kennen

Het periodieke systeem Mendeleev (1869) introduceerde het periodieke systeem Quantummechanica: spin, Pauli, schillenmodel, L S, J J

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 Quantummechanica: positie- en impulsoperatoren x en p x commuteren niet

Deeltjesfysica Elementair sinds 1974 Elementair sinds 1897

Alle materie: ~100 soorten atomen De kern heeft 99.9% van de massa Het elektron is puntvormig. Protonen en neutronen zijn echter samengestelde deeltjes. De quarks lijken weer puntvormig In principe enkel `up en `down quarks nodig als bouwstenen. Verder nog het elektronneutrino. Gewone materie

Kosmische materie Theodore Wulf Jezuit uit Valkenburg Victor Hess ontdekt `kosmische straling. Nieuwe soorten deeltjes worden gevonden: vooral muonen. Muon lijkt op elektron maar dan 200 keer meer massa. leeft gemiddeld 2.2 us en vervalt in een elektron en twee neutrale deeltjes. De muonen komen van het verval van kortlevende deeltjes, die soms een derde type quark bevatten: het vreemde quark. Kosmische materie: naast `gewone materie ook muon, muon-neutrino en het vreemde quark.

Deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) maken een regen van secundaire deeltjes in de atmosfeer Een muon leeft 2.2 sec. Welke afstand kan het dan met de lichtsnelheid bewegend afleggen? (3x10 8 m/s)(2.2 x 10-6 s) = 660 m. Toch bereiken muonen het aardoppervlak!

Albert Einstein (1879 1955) Relativiteitstheorie Equivalentie van massa en energie: E = m c² Bewegende klokken lopen langzamer: t = ( > 1 )

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 microseconden Who ordered that? - I I Rabi

Hoge energie materie In 2013: 8 TeV proton-proton botser Hoogste prioriteit in ons vakgebied CMS ALICE ATLAS LHCb

Nikhef Large Hadron Collider Wetenschappelijk programma LHC

Drie families: Standaard Model Massa s van deeltjes in MeV; 1 MeV 1.8 10 27 gram

Krachten Structuren: van protonen tot sterrenstelsels Gravitatie: de bekendste kracht Hierdoor staan we op aarde en bewegen de planeten rond de zon Belangrijk in massieve objecten Elektriciteit en magnetisme Veel sterker dan gravitatie! Vormt elektrisch neutrale atomen, moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen. Nieuwe krachten: Sterke kracht Zwakke kracht Korte dracht: verklaard door het Standard Model Omega Centauri globular cluster

Gravitationele krachten in H 2 gebieden Protostellaire objecten ontstaan door: Dalende potentiële energie Stijgende kinetische energie Verdichting kern Verhoging temperatuur en druk Stervorming Het gebied dat condenseert dient een minimum afmeting te hebben: Jeans lengte T, M en r van de gaswolk m M Dit volgt bij benadering uit beschouwing energie van een gasmolecuul met massa m Jeans massa Als dichtheid toeneemt, dan wordt M J kleiner en fragmenteert de gaswolk

Protosterren Sterren ontstaan in de omgeving van sterren Bij voldoende druk, massa, temperatuur en stabiliteit onstaat er kernfusie Druk diameter x gravitatieversnelling Temperatuur is recht evenredig met de druk Onze zon Gravitationele energie Voldoende energie voor miljoenen jaren... Temperatuur stijgt voldoende om fusie mogelijk te maken

Energiehuishouding in sterren Per seconde zet de zon 570 miljard kg waterstof om De massa van de zon neemt per seconde af met 4.3 miljard kg! d p u u W d u n d e e

CNO cyclus Koolstof als katalysator Effectieve reactie Energieproductie Dominant in hete sterren

Dominant in de zon (CNO ongeveer 1.6%) Dezelfde energieopbrengst als CNO Essentiele stappen pp cyclus Effectieve reactie Andere kanalen Nucleosynthese en neutrinoproductie

Neutrino s van de zon Specifiek energiespectrum van neutrino s Drempelenergie verschilt per detectiemedium Eerste experimenten gebruikten Ray Davis, Homestake, South Dakota Cl(, )Ar e e

Superkamiokande

SN1987A

Superkamiokande Detection of neutrino s from SN1987A Spectrum in agreement with supernova models Limit on mass of neutrino

Borexino in Gran Sasso Detect low energy (< 1 MeV) neutrino s from decay of 7 Be Check MSW effect: neutrino oscillations are affected by matter due to the presence of electrons

OPERA in Gran Sasso Fire muon neutrino s from SPS at CERN to OPERA in Gran Sasso Detect appearance of tau neutrino s - May 31, 2010 - June 6, 2012 - March 26, 2013 Emulsion in lead sheets and scintillator trigger planes Neutrino s travel faster than speed of light - Fiber optic cable problem - Incorrect clock - Claim withdrawn in July 2012

Sudbury Neutrino Observatory Heavy water 1000 tons Electron-neutrino converts neutron into proton and electron. Cherenkov radiation from electron is detected All neutrino species can break-up the deuterium nucleus. The neutron is captured forming tritium and a 6 MeV gamma

Solar neutrino problem Early (Cl) experiments (1968) showed that the sun did not produce enough neutrino s (by about a factor 3). SNU units are used Kamiokande (water; designed for proton decay) sees relatively more neutrino s than the Cl detectors. Problems with expected energy distribution? Gallium data accounted for by pep and hep SNO electron neutrino s account for one third of events SNO is sensitive to all neutrino flavors (through NC interactions) and with all neutrino s in agreement with solar model Neutrino s oscillate! (thus have mass)

Kosmische neutrino s Antares en KM3NET

Kosmische neutrino s Amanda en Icecube

natural accelerator: cosmic rays,

Nucleosynthesis: the solar spectrum Photoshere: region of the object from which external light is received The photoshere yields important information about the chemical composition of the sun

Stellar nucleosynthesis

Nucleosynthesis in supernovae Ni synthesis 3 x 10 6 km, 300 s 4000 km 32 x 10 6 km, 3 uur

Neutronenster: supernova remnant Een grote atoomkern (tientallen kilometers) Nucleon-nucleon interactie Quantumsysteen van sterk gekoppelde fermionen Pauli blocking (daardoor kunnen hyperonen stabiel zijn)

Geschiedenis heelal

Primordiale nucleosynthese Drie minuten (E = 2.2 MeV) na oerknal was deuterium stabiel Neutron- en protonvangst levert 3 H en 3 He Vorming van 4 He door n-vangst en reactie Botsingen van 3 H, 3 He en 4 He leveren 7 Li en 7 Be Hoeveelheden van 3 H, 3 He, 4 He, 7 Li en 7 Be zijn gevoelig voor baryondichtheid en snelheid van de expansie Expansiesnelheid neemt toe met aantal neutrinofamilies Verhouding baryonen tot fotonen ~ 3 10-10

Big Bang nucleosynthesis Abondantie (massa) van elementen 74% waterstof 24% helium 1.0% zuurstof 0.4% koolstof Helium abondantie kan niet worden verklaard door nucleonsynthese in sterren Een sterk argument voor de Big Bang hypothese