De correlatie tussen de zonneactiviteit en de levensduur van het D 0 meson Onderzoeksvoorstel A.H.J. Schuringa A. Günaydin Calandlyceum, Technasium Pieter Calandlaan 182 Postbus 96051 (postadres) 1006 EB Amsterdam Contact: Tel (A.H.J. Schuringa) (A. Günaydin) Email 114248@leerling.calandlyceum.nl (A.H.J. Schuringa) 110216@leerling.calandlyceum.nl (A. Günaydin) Datum Oktober 2014 Opgesteld voor Jacco de Vries, NIKHEF Rutger Gast, docent 6 de klas O&O Calandlyceum, Technasium 1 van 15
2 van 15
1. Inhoudsopgave 1. Inhoudsopgave 2. Samenvatting 3. Probleemschets 3.1. Opdachtgever 3.2. NIKHEF 3.3. De Opleiding 4. Doel 5. Onderzoeksvragen 5.1. De Hoofdvraag 5.2. De Deelvragen 6. Onderzoeksaanpak 7. Planning 8. Referenties 8.1. Acknowledgements 9. Begrippen Bijlagen 3 van 15
2. Samenvatting Uit verschillende onderzoeken is gebleken dat de zonneactiviteit van invloed is op de vervalsnelheid van verschillende atomen. In dit onderzoek zal worden gekeken of de zonneactiviteit van invloed is op de levensduur van een subatomair deeltje, het D 0 meson. Er zal gewerkt worden in de programmeertaal Python, het CERN-programma ROOT zal gebruikt worden en verschillende fits zullen worden uitgevoerd. Na elke grote vooruitgang in het onderzoek zal een klein verslag opgesteld worden die samen met de opdrachtgever en de begeleider doorgenomen en gecontroleerd wordt. 4 van 15
3. Probleemschets In 2010 vond Peter Sturrock dat het verval van radioactieve deeltjes beïnvloed wordt door de activiteit van de zon. Hij had verschillende deeltjes gevonden, silicon-32 en radium-226, waarvan de vervalsnelheid verschilde, gelijk met het verschil op dat moment in de activiteit van de zon. De vervalsnelheid lijkt dus niet altijd hetzelfde te zijn, terwijl hier bij veel onderzoek wel vanuit wordt gegaan, bijvoorbeeld bij het vaststellen van de leeftijd van archeologische vondsten waarbij koolstof-14 wordt gebruikt. De bevindingen die zijn gedaan door het rekenen met koolstof-14 zouden herzien moeten worden. Daarnaast zijn er nog vele andere invloeden die de zon uitoefent op processen op aarde. Zo zou al onze elektronica uit kunnen vallen in het geval er een grote zonne-uitbarsting komt en zou het magnetische veld van de aarde verstoord kunnen worden. Dit zijn echter onderzoeken die alleen zijn gedaan met deeltjes op atoomniveau. Er is dus nog altijd onderzoek te doen naar de invloed van de zonneactiviteit op deeltjes kleiner dan atomen. In dit onderzoek wordt onderzocht of de activiteit van de zon van invloed is op de levensduur van het D 0 meson. Het D 0 meson ontstaat op het moment dat twee protonen in de LHCb van de CERN op elkaar botsen. Het D 0 meson werd voor het eerst waargenomen in 1976. Het is een zwaar meson en bevat een quark en een antiquark, een antideeltje. Ook heeft het een erg korte levensduur, het vervalt in het pion en het kaon. Het pion en het kaon ontstaan echter ook bij de botsing van de protonen, tegelijk met het D 0 meson. De deeltjes die tot nu toe zijn geobserveerd hebben een plaats in het standaardmodel gekregen. Er zijn 47 soorten elementaire deeltjes volgens het standaardmodel. Er kunnen samengestelde deeltjes ontstaan zodra de elementaire deeltjes met elkaar combineren, wat overigens bij sommige deeltjes voorkomt. De samengestelde elementaire deeltjes verklaren de honderden verschillende deeltjessoorten. Bijna alle experimenten komen overeen met het standaardmodel. Toch vinden de meeste deeltjesfysici dat het standaardmodel incompleet is en dat er een fundamenteel theorie op ontdekking wacht. Laatst is er een nog een boson bijgekomen. Het Higgs boson zorgt ervoor dat alle andere deeltjes massa krijgen. 5 van 15
3.1. Opdachtgever De opdrachtgever en tevens de expert van dit onderzoek is Jacco de Vries. Jacco heeft Natuurkunde en Sterrenkunde gestudeerd aan de Universiteit Utrecht. Hierna heeft hij een master gedaan in de Deeltjes- en Astrodeeltjesfysica. Op dit moment is Jacco PhD op de NIKHEF. Hij doet onderzoek aan het verval van het B meson. Via Rob Knegjens, gepromoveerd en wonende in Duitsland, zijn wij in contact gekomen met Jacco de Vries. In eerste instantie was het de bedoeling Rob Knegjens als opdrachtgever te krijgen, maar vanwege de woonplaats van Rob werd besloten dit toch niet te doen. Rob heeft een mail gestuurd naar verschillende PhD s in Nederland. Jacco de Vries was erg enthousiast onze opdrachtgever te zijn. Jacco was vanaf dat moment de opdrachtgever. 3.2. NIKHEF NIKHEF staat voor Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-Energiefysica. Het instituut bestaat uit een samenwerking tussen de FOM, de UvA, de VU, de Radboud Universiteit Nijmegen en Universiteit Utrecht. Op dit moment wordt op de NIKHEF onderzoek gedaan aan de elementaire deeltjes. Dit wordt gedaan met data van bijvoorbeeld de CERN. Ook wordt onderzoek gedaan naar deeltjes en straling afkomstig uit de ruimte, de astrodeeltjesfysica. 3.3. De Opleiding Hoe kun je uiteindelijk in dit werk of onderzoek terecht komen? Hiervoor moet een reeks studies worden gedaan: - Bachelor Natuur- en Sterrenkunde - Master Particle and Astroparticle Physics Hierna kan promotieonderzoek gedaan worden, waarna je de hoogste academische graad hebt krijgt. 6 van 15
4. Doel Het doel van dit onderzoek is om een duidelijk antwoord te krijgen op de vraag of de activiteit van de zon van invloed is op de levensduur van bepaalde deeltjes, zoals het D 0 meson waar in dit geval het onderzoek aan wordt verricht. Indien er niet wordt gevonden dat de levensduur van het deeltje onder invloed staat van de zonneactiviteit, kan dit betekenen dat de zonneactiviteit op een groter niveau, bijvoorbeeld atoom-niveau, van invloed is. Er zijn ook sub-doelen om het hoofddoel te kunnen halen: - De afwijking van de massa/levensduur bepalen - Vertrouwd raken met Python - Vertrouwd raken met Linux - Masterclass volgen - Vertrouwd raken met de ntuple (de verkregen data) - Een massa fit kunnen uitvoeren - Een levensduur fit kunnen uitvoeren - Data over de zonneactiviteit verkrijgen Indien er een tijdsgebrek is zal het onderzoek zich moeten beperken. Er zal dan geen tijd zijn om de fits te maken. Er is afgesproken met de expert dat die de fits in dat geval zal maken. Indien er tijd over is en alle hoofdpunten zijn gedaan zal geprobeerd worden zo veel mogelijk data te vergelijken om een zo betrouwbaar mogelijk resultaat te krijgen. 7 van 15
5. Onderzoeksvragen Voor dit onderzoek is een vraag opgesteld waar het onderzoek op gefocust wordt en er zijn verschillende deelvragen opgesteld om te helpen met het beantwoorden van de belangrijkste vraag, de hoofdvraag. 5.1. De hoofdvraag van ons onderzoek is als volgt: Heeft de zonneactiviteit invloed op de levensduur van het D 0 meson? 5.2. De deelvragen van van ons onderzoek zijn als volgt: Wat is de massa van het D 0 meson? Wat is de levensduur van het D 0 meson? Hoeveel kan de massa/levensduur van het D 0 meson verschillen per meting? Hoe zou de zonneactiviteit de levensduur van het D 0 meson kunnen beïnvloeden? In hoeverre word de levensduur beïnvloed? 8 van 15
6. Onderzoeksaanpak Voor dit onderzoek zullen verschillende dingen gedaan moeten worden. Een onderzoeksvoorstel wordt als eerste opgesteld om de opdrachtgever en andere geïnteresseerden goed en duidelijk te laten weten wat er precies gaat gebeuren tijdens het onderzoek. Ter voorbereiding van het onderzoek wordt een masterclass gevolgd over het D 0 meson. In deze masterclass wordt het D 0 meson gezocht. Ook zal Linux samen met ROOT en python geïnstalleerd moeten worden. Nadat de masterclass is afgerond zal een klein verslag worden gemaakt, van enkele pagina s, met de resultaten van de masterclass en eventuele vragen die optraden bij het uitvoeren. Samen met de opdrachtgever zal dit doorgenomen worden. Na de voorbereidingen zal er begonnen worden met het onderzoek. Door middel van het programma ROOT zal geprobeerd worden de achtergrond van de ntuple weg te filteren. Nadat de meeste achtergrond is weggefilterd zal ruwe data overblijven van het D 0 meson. Om te weten of we de goede deeltjes, de D 0 mesonen, te pakken hebben en hoeveel deeltjes we hebben zal een massafit uitgevoerd worden. Een massafit houdt in dat er een grafiek over de grafiek verkregen uit de data gelegd zal worden. Deze grafiek die er overheen gelegd wordt zal worden aangepast zodat hij zo goed mogelijk overlapt met de verkregen data. Alles wat vervolgens buiten de massafit valt zal zeer waarschijnlijk achtergrond zijn. Na de massafit zal hetzelfde gedaan worden met de levensduur van de verkregen data, er zal een levensduurfit gedaan worden. Over de drie bovenstaande stappen zullen drie korte verslagen van ongeveer 3 pagina s worden ingeleverd. De opdrachtgever, evenals de begeleider en de docent, zullen in dit verslag op de hoogte worden gesteld van de voortgang van het onderzoek, hoe het betreffende onderdeel waarvoor het korte verslag is opgesteld is verlopen en wat de volgende stappen zijn. De verslagen zullen samen met de opdrachtgever doorgenomen worden, gecontroleerd worden en eventuele vragen kunnen gesteld worden. Als de bovenstaande stappen van het onderzoek zijn uitgevoerd zal de data die is verkregen over de levensduur van het D 0 meson per maand vergeleken worden met de activiteit van de zon per maand. Het resultaat zal besproken worden met de opdrachtgever en gecontroleerd worden. Hierna wordt een onderzoeksverslag opgesteld waarin het proces van het onderzoek wordt beschreven en de resultaten worden uitgelegd. 9 van 15
7. Planning Hieronder een globale planning, als bijlage de gedetailleerde planning: September Linux, ROOT, Python installeren/leren - 30 september Het besturingsprogramma Linux, samen met ROOT wordt geïnstalleerd op eigen computer. Scripttaal python moet geleerd worden. Verantwoordelijk: Auke Schuringa en Alparslan Gunaydin. Oktober Presentatie Onderzoeksvoorstel - 3 oktober Een presentatie zal vrijdag 3 oktober gehouden worden waarin het onderzoeksvoorstel wordt behandeld aan de hand van een powerpoint. Het doel is de aanwezigen op de hoogte stellen van de details van het project de activiteiten rondom het project. Verantwoordelijk: Auke Schuringa. Masterclass - 3 oktober De masterclass die hier gedaan wordt is de masterclass die Jacco de Vries zelf ook heeft gegeven. Een rapport van enkele pagina s zal na de masterclass ingeleverd worden. Het rapport zal met de opdrachtgever doorgenomen worden en eventuele vragen kunnen besproken worden. Verantwoordelijk: Alparslan Gunaydin. CERN-reis - 10 oktober Auke Schuringa, Alparslan Günaydin en de begeleider Anton van den Berg zullen zeven tot en met tien oktober een reis hebben naar de CERN. Achtergrond ntuple verwijderen - 30 oktober Met de geïnstalleerde programma s en wat programmeerkennis zal geprobeerd worden zo goed mogelijk achtergrond te verwijderen uit de data die is verkregen voor het onderzoek. Na verwijderen van de achtergrond zal een rapport van drie tot vier pagina s opgesteld worden waarin wordt uitgelegd hoe de achtergrond is verwijderd en waarom bepaalde beslissingen zijn genomen voor het verwijderen van de achtergrond data. Ook zullen de resultaten met de opdrachtgever doorgenomen worden voor controle op fouten. Verantwoordelijk: Alparslan Gunaydin en Auke Schuringa November Uitvoeren massafit - 28 november Een massafit zal in november uitgevoerd worden om te een indicatie te krijgen van het aantal deeltjes waarmee we te maken hebben en te 10 van 15
onderzoeken of we de goede deeltjes hebben verkregen na het verwijderen van de achtergrond. De resultaten zullen ter controle met de opdrachtgever doorgenomen worden en een verslag van drie tot vier pagina s zal opgesteld worden over het proces van het uitvoeren van de massafit. Verantwoordelijk: Alparslan Gunaydin en Auke Schuringa. December Uitvoeren levensduurfit - 29 december Een levensduurfit zal als laatste fit uitgevoerd worden om de gemiddelde levensduur van de D 0 mesonen te verkrijgen, zodat die later vergeleken kan worden met de zonneactiviteit. Na de levensduurfit zullen de resultaten met de opdrachtgever doorgenomen worden en gecontroleerd worden op eventuele fouten. Daarnaast zal een verslag opgesteld worden van drie tot vier pagina s waarin het proces van het uitvoeren van de levensduurfit besproken zal worden. Verantwoordelijk: Alparslan Gunaydin Januari Vergelijken verkregen data met zonneactiviteit - 29 januari De data over de levensduur van het D 0 meson die is verkregen zal vergeleken worden met de data van de zonneactiviteit op de momenten van de verkregen data. Een verslag van drie tot vier pagina s zal opgesteld worden en de resultaten zullen met de opdrachtgever doorgenomen worden te controle. Verantwoordelijk: Auke Schuringa Februari Onderzoeksverslag - 27 februari In februari, wanneer het hele onderzoek afgerond is, zal er begonnen worden aan het onderzoeksverslag. Dit onderzoeksverslag zal enkele tientallen pagina s zijn en het hele proces van het onderzoek bevatten, alsook een uitgebreide beschrijving van het verkregen resultaat en eventuele opvolgende onderzoeken in kader van dit onderzoek. Verantwoordelijk: Auke Schuringa Maart Eindpresentatie - 15 maart Een eindpresentatie zal gegeven worden waarin kort en bondig het onderzoeksverslag wordt besproken. Bij de presentatie kunnen geïnteresseerden een kopie van het onderzoeksverslag krijgen. Verantwoordelijk: Auke Schuringa 11 van 15
8. Referenties http://web.archive.org/web/20140922110207/http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pa rticles/dmeson.html http://web.archive.org/web/20140922110405/http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/en/l HCb-outreach/masterclasses/ENinstructions.pdf http://web.archive.org/web/20140922110953/http://wetenschap.infonu.nl/natuurverschijnsel en/73328-het-gevaar-van-een-zonnestorm-op-aarde.html http://web.archive.org/web/20140925141022/http://news.stanford.edu/news/2010/august/su n-082310.html Arxiv. (2010, 24 juni). Power Spectrum Analysis of BNL Decay-Rate Data. Geraadpleegd op 25 september 2014, van http://arxiv.org/abs/1006.4848 8.1. Acknowledgements Linkedin. (z.d.). Rutger Robert Gast. Geraadpleegd op 8 april 2014, van http://nl.linkedin.com/pub/rutger-robert-gast/27/406/641 Linkedin. (z.d.). Jacco de Vries. Geraadpleegd op 11 september 2014, van http://nl.linkedin.com/pub/jacco-de-vries/26/387/698 Linkedin. (z.d.). Anton van den Berg. Geraadpleegd op 29 september 2014, van http://nl.linkedin.com/pub/anton-van-den-berg/27/a4/879 12 van 15
9. Begrippen Verschillende begrippen die zijn gebruik in het onderzoeksvoorstel worden hieronder verder uitgelegd. ROOT Dit is het programma van de CERN waarmee grote hoeveelheden data geanalyseerd kunnen worden. Het programma zal bij dit onderzoek uitgeprobeerd worden in de masterclass om vertrouwt te geraken met het programma. Ook zal het programma ROOT gebruikt gaan worden om zoveel mogelijk achtergrond weg te filteren uit de ntuple. Ntuple Ntuple is de data die voor het onderzoek is verkregen van de opdrachtgever/expert. Massafit Een massafit wordt uitgevoerd om te weten of we het goede deeltje, het D 0 meson, te pakken hebben. Ook wordt het aantal D 0 mesonen bepaalt en het aantal achtergrond deeltjes die nog niet zijn weggefilterd. Levensduurfit Een levensduurfit wordt gedaan om de levensduur te krijgen van het D 0 meson over de periode waarvan de data van het D 0 meson is verkregen. Meson Een meson is een deeltje dat kleiner is dan een atoom. Het meson bestaat uit een quark en een antiquark. Onder de mesonen horen onder andere het pion en het kaon. Python Python is een programmeertaal. Linux Linux is een besturingssysteem net zoals Windows, Ubuntu en OS X. Kaon Een kaon is een subatomair deeltje. Het bestaat uit twee quarks. Dit deeltje (plus een pion) ontstaat als een D 0 meson uit elkaar valt. Pion Een pion is een subatomaire deeltje. Het bestaat uit twee quarks en het heeft drie varianten: positief, negatief en ongeladen. Dit deeltje (plus een kaon) ontstaat als een D 0 meson uit elkaar valt. 13 van 15
Quark en anti-quark Quarks zijn subatomaire deeltjes en er bestaan zes soorten quarks. Elke generatie van subatomaire deeltjes een paar. De drie paren worden aangeduid door up, down, charm, strange, top en bottom. Voor elke quark bestaat er ook een anti-quark, met een tegengestelde lading. 14 van 15
Bijlagen Vanaf de volgende pagina, de bijlagen 15 van 15