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

Vergelijkbare documenten
Materie bouwstenen van het heelal FEW 2009

Elementaire Deeltjesfysica

Elementaire Deeltjesfysica

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

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

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur

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

De Large Hadron Collider 2.0. Wouter Verkerke (NIKHEF)

Quantummechanica en Relativiteitsleer bij kosmische straling

EEN ONTDEKKINGSREIS NAAR HET ALLERKLEINSTE EN ALLERGROOTSTE

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

Elementaire Deeltjesfysica

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

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

VERENIGDE DEELTJESINTERACTIES

Symmetie en Symmetrie. in het Standaard Model

Gravitatie en kosmologie

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

H2: Het standaardmodel

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

Elementaire Deeltjesfysica

De ontdekking van het Higgs boson. Ivo van Vulpen

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

Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd

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

De bouwstenen van het heelal Aart Heijboer

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

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

Majorana Neutrino s en Donkere Materie

Deeltjesfysica in vogelvlucht. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen / Nikhef

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

Elementaire Deeltjesfysica

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

Sterren kijken op de bodem van de zee Aart Heijboer

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

Deeltjes en velden. HOVO Cursus. Jo van den Brand 3 oktober

Het berekenbare Heelal

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

2.1 Elementaire deeltjes

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

Kleinse Fles. Introductie String Zoologie Brane Worlds Zwarte Gaten

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

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

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

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

Van atoom tot kosmos

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

Samenvatting. (Summary in Dutch)

Meesterklas Deeltjesfysica. Universiteit Antwerpen

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

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

Werkstuk Natuurkunde Het Higgsboson

Nederlandse samenvatting

Nieuwe resultaten van de zoektocht naar het Higgs deeltje in ATLAS

Hoe werken krachtdeeltjes

Large Hadron Collider. Werkbladen. HiSPARC. 1 Inleiding. 2 Voorkennis. 3 Opgaven atoombouw. C.G.N. van Veen

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

Samenvatting. Deeltjesfysica en het Standaard Model

Het Quantum Universum. Cygnus Gymnasium

De zoektocht naar het Higgs boson. Ivo van Vulpen

Fundamentele en menselijke interacties

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

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

De LHC deeltjesversneller: waarom en hoe?

Het Higgs-deeltje ontdekt. En wat dan?

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

Elementaire deeltjes 2 College 8 Maandag 23 maart 2009

1 Leerlingproject: Kosmische straling 28 februari 2002

Nikhef Workshop. 3de-jaars bachelor NIKHEF/UvA. docenten: Dr. Ivo van Vulpen Dr. Auke-Pieter Colijn

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

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!

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

Deeltjes en velden. HOVO Cursus. Jo van den Brand 10 oktober

HET PROJECT LARGE HADRON COLLIDER

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

De LHC deeltjesversneller: waarom en hoe?

Het ongrijpbare Higgs-deeltje gegrepen

Een Lied over Bomen en Pinguïns

Waarneming van een nieuw deeltje met massa 125 GeV

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

Op zoek naar nieuwe deeltjes met de LHC deeltjesversneller

Betekenis en Ontdekking van het Higgs-deeltje

Figuur 12a: Groei van frankino s/neutrino s tot infrarood fotonen van het proton.

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

OP ZOEK NAAR HET HIGGS-DEELTJE

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

KERNEN & DEELTJES VWO

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

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Detectie van kosmische straling

Bachelor research project (BONZ) in Subatomic Physics

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

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

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

Large Hadron Collider. Uitwerkingen. HiSPARC. 1 Inleiding. 2 Voorkennis. 3 Opgaven atoombouw. C.G.N. van Veen

Donkere Materie Een groot mysterie

Gravitatie en kosmologie

Gravitatie en kosmologie

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

Transcriptie:

Deeltjes en velden HOVO Cursus Jo van den Brand 26 september 2013 jo@nikhef.nl

Docent informatie Overzicht Jo van den Brand & Gideon Koekoek Email: jo@nikhef.nl en gkoekoek@gmail.com 0620 539 484 / 020 592 2000 Rooster informatie Donderdag 10:00 13:00, HG 08A-05 (totaal 10 keer) Collegevrije week: 24 oktober 2013 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 ondergrond. 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.

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.

Inhoud Inleiding Deeltjes Interacties Relativistische kinematica Speciale relativiteitstheorie Viervectoren Energie en impuls Quantumfysica Formalisme Spin van deeltjes Structuur van hadronen Symmetrieën Behoudwetten, quarkmodel Symmetriebreking Veldentheorie Lagrange formalisme Feynman regels Quantumelektrodynamica Diracvergelijking Quarks en hadronen Quantumchromodynamica Elektrozwakke wisselwerking Higgs formalisme Relativistische quantumveldentheorie

Inleiding: waar de wereld uit bestaat 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 bestaat uit een relatief klein aantal eenvoudige bouwstenen.

Concept: atoom Zuiver filosofisch denken

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

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 Reductionisme Elementair sinds 1897

Gewone materie Alle materie bestaat uit 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 elektronneutrino.

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

Quarks en leptonen Quarks Leptonen

Samenvattend: de acteurs

Interacties - dynamica

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. Omega Centauri globular cluster

Zwakke wisselwerking d p u u W d u n d e e

Interacties: QED, QCD, EZ, Gravitatie EM Gravitatie

Feynman diagrammen - QED tijd Møller scattering Elementair process - vertex - propagator - asymptotische toestand - structuur q q - antideeltje notatie Bhabha scattering Feynman 1965

Feynman diagrammen - QED + Bhabha scattering

Feynman diagrammen - QED Paar annihilatie Paar productie Compton verstrooiing Hierbij wordt gebruik gemaakt van crossing symmetry: als A + B C + D toegestaan, dan is ook A + C B + D dynamisch toegestaan.

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

Feynman diagrammen - QED Meest nauwkeurige natuurkundige theorie Vele tientallen jaren rekenarbeid Precisie: 10 significante cijfers! Perfecte overeenstemming met experimenten

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

QCD voorbeeld Kleurspinoren Interactie Gell-Mann matrices Kracht tussen twee blauwe quarks door gluon uitwisseling Kracht tussen 2 blauwe quarks wordt overgebracht door gluon Corresponderende operator Sterkte van de koppeling

Feynman diagrammen - QCD Kracht tussen twee protonen Kracht tussen twee quarks door gluon uitwisseling Een quark uit een proton trekken Confinement

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!

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

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

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Semi-leptonisch proces Pion verval Neutron verval

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Verval van neutrale Delta: via zwakke wisselwerking Verval van neutrale Delta: via sterke wisselwerking

Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Martinus Veltman Gerard t Hooft 1999 Neutrino scattering Het lijkt eenvoudig dat quarks de elektrozwakke wisselwerking op dezelfde wijze als leptonen ondergaan Niet helemaal