Titel van de presentatie

Van quarks tot kosmos
Een wandeling doorheen de hedendaagse
elementaire deeltjesfysica
Alexander Sevrin
Vrije Universiteit Brussel
en
The International Solvay Institutes for Physics and Chemistry
17/03/2007 | pag. 1
Disclaimer
Elementaire deeltjesfysica is een groot deelgebied
van de fysica. Om een idee te krijgen: van de 62 naoorlogse Nobel prijzen fysica gingen er 26 naar dit
gebied! Gezien de beperkte tijd zal ik onvermijdelijk
onvolledig zijn!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 2
Disclaimer
Niet-technische referenties:
• Een schitterend boek geschreven door één van de
grootmeesters van ons vak: De bouwstenen van de schepping
door Gerard ‘t Hooft.
• De “outreach” pagina’s van het CERN: www.cern.ch .
• The Elegant Universe: de film! (vindt het met Google).
• De ontrafeling van de kosmos door Brian Greene.
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 3
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 4
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 5
Wat is deeltjesfysica?
• Wat zijn de kleinste bouwstenen
van de materie?
• Hoe interageren deze bouwstenen
met elkaar?
• Kunnen we dit begrijpen?
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 6
Wat is deeltjesfysica?
• Wat zijn de kleinste deeltjes waaruit alles om ons heen
opgebouwd is?
Empedocles (~ 450 BC) & Aristoteles (~ 350 BC):
Het huidige beeld is amper
ingewikkelder:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 7
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 8
Waaruit bestaat materie?
• Materie is opgebouwd uit moleculen
• Moleculen zijn opgebouwd uit atomen
• Atomen hebben een (positief geladen) kern en een
aantal negatief geladen elektronen die om de
kern cirkelen.
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 9
Waaruit bestaat materie?
• Voor zover we weten heeft het elektron geen verdere substructuur.
Dit wilt zeggen dat het elektron
zich
18 tot op de kleinste
10¡
waarneembare afstanden (~
m) het elektron als een
wiskundig punt gedraagt!
• Het elektron is dus een elementair deeltje!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 10
Waaruit bestaat materie?
• De kern bestaat uit protonen (lading +1)
en neutronen (charge 0).
• Neutronen en protonen zijn opgebouwd uit drie quarks.
– Het proton:
– Het neutron:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 11
Waaruit bestaat materie?
• Zover we weten hebben quarks geen verdere substructuur!!!
¡18kleinste observeerbare afstanden –
Dit betekent dat we tot10op
tegenwoordig is dit ~
m – we quarks als mathematische
punten waarnemen!
• Dus zijn quarks eveneens elementaire deeltjes!
• Quarks hebben “merkwaardige” elektrische ladingen:
- up quark: + 2/3
- down quark: -1/3
• Quarks komen nooit vrij voor, ze zijn steeds gebonden in hadronen
(confinement):
Mesonen:
Baryonen:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 12
Waaruit bestaat materie?
B.v. een helium atoom
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 13
Waaruit bestaat materie?
• Naast elektronen en quarks zijn er ook neutrino’s (b.v. een vrij
neutron vervalt na ongeveer 12 minuten in een proton, elektron en
een (anti-)neutrino): ze hebben geen elektrische lading, bijna geen
massa en ze interageren op bijzonder zwakke wijze met de rest van
de natuur…
• Merk op dat het resulterende beeld buitengewoon eenvoudig is: de
wereld om ons heen is opgebouwd uit slechts 4 elementaire
deeltjes: het elektron, de up quark, de down quark en het neutrino…
• Is dit alles? Eén elektron, één neutrino en twee quarks?
• NEE!!!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 14
Waaruit bestaat materie?
•
De natuur herhaalt dit patroon drie maal! Er zijn drie families of generaties
van elementaire deeltjes. Waarom dit zo is, is een fascinerende
onbeantwoorde vraag! Massa hiërarchie???
Massa’s:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 15
2,5
1200
178000
6
105
4400
< 10-6
< 0,2
< 18
0,51
106
1777
Massa’s zijn in
eenheden MeV/c2. De
massa van het
waterstof atoom is
ongeveer 1000 in deze
eenheden.
Waaruit bestaat materie?
•
Merk op dat de massa van protonen en neutronen veel groter is dan dat
van de quarks waaruit ze opgebouwd zijn!
B.v. het proton:
mp ¼ 1000 M eV c¡2
mu ¼ 2; 5 M eV c¡2
maar
m ¼ 6 M eV c¡2
d
•
Hadronen (baryonen and mesonen) hebben een zeer complexe structuur!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 16
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 17
Fundamentele interacties?
• Alle krachten in de natuur, hoe divers ze ook mogen lijken, zijn te
herleiden tot slechts vier fundamentele interacties:
– De zwaartekracht: vallende appels, de beweging van planeten omheen
de zon, … Wordt door alles gevoeld.
– The elektromagnetische kracht: licht, magneten, elektriciteit, het
grootste deel van de chemie, … Wordt gevoeld door alle elektrisch
geladen deeltjes/objecten.
– De zwakke (kern) kracht: het β-verval, het verval van muonen, … Wordt
gevoeld door zowel leptonen als quarks.
– De sterke (kern) kracht: bindt de quarks binnen protonen en neutronen,
bindt neutronen en protonen binnen atoomkernen, … Wordt enkel door
quarks gevoeld.
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 18
Fundamentele interacties?
• Vreemde eend: de zwaartekracht. Beschouw b.v. een elektron en
een proton.
De Coulomb (elektrostatische) kracht:
2
Fcoulomb =
e
4¼"0 r 2
The Newtoniaanse (gravitationele)
kracht:
G m m
Fnewton =
De verhouding:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 19
Fcoulomb
Fnewton
=
N
e
p
r2
1
4¼"0 GN
e2
m e mp
¼ 2 £ 10+39
Fundamentele interacties?
• De zwaartekracht is onvoorstelbaar zwak. Waarom voelen we ze
dan zo goed? De zwaartekracht heeft enkel een aantrekkende
component.
• Als gevolg is de zwaartekracht verwaarloosbaar in de elementaire
deeltjesfysica.
• Wanneer wordt deGzwaartekracht
, sterk?
» 19
E2 »
®(E) =
N
~ c5
1
E
10 GeV
15 grootte ordes boven de energieën die we momenteel (of in de
nabije toekomst) kunnen bereiken. Bijgevolg zullen we de
zwaartekracht voor het moment ignoreren en er later op terug
komen.
• Waarom de zwaartekracht zoveel zwakker is dan de andere
krachten is een fascinerende open vraag!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 20
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 21
Het Standaard Model
• Ons huidig begrip van de elementaire deeltjesfysica wordt
geformuleerd in het Standaard Model.
• Krachten worden veroorzaakt door de uitwisseling van kracht
deeltjes.
– Het krachtdeeltje voor de elektromagnetische kracht is het foton
(massaloos en ladingsloos).
¼ 91 GeV
¡2- en
¼ uitwisseling
¡2van m
+,cW
– De zwakke kracht ontstaatm
via
de
(massieve)
W
80
GeV
c
Z
W
Z0 deeltjes. De massa’s:
,
– De sterke kracht ontstaat door de uitwisseling van 8 verschillende
(massaloze en ladingsloze) gluonen.
– De zwaartekracht wordt gemedieerd door de uitwisseling van de (nog
niet rechtstreeks geobserveerde) (massaloze en ladingsloze)
gravitonen.
• Het feit dat de W+ and W- elektrisch geladen zijn toont aan dat we
en geünificeerde beschrijving van de zwakke en de
elektromagnetische kracht krijgen: de elektrozwakke kracht!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 22
Het Standaard Model
• B.v. the elektromagnetische afstoting tussen twee elektronen:
• Het β-verval van het neutron:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 23
n ! p + e¡ + º¹e
Het Standaard Model
• In het Standaard Model:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 24
Het Standaard Model
• De sterke kracht: quarks zijn opgesloten (confined)!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 25
Het Standaard Model
• Typische reactie: een combinatie van de drie krachten/interacties:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 26
Het Standaard Model
• De werkelijkheid is iets ingewikkelder….
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 27
Het Standaard Model
• Het Standaard Model voorziet in een wiskundig kader dat de
interacties zowel kwalitatief als kwantitatief beschrijft zodat:
– Alles consistent is met de wetten van de speciale relativiteitstheorie
(zeer eenvoudig).
– Alles consistent is met de wetten van de kwantummechanica (zeer
moeilijk).
• De enige klasse theorieën die aan deze criteria voldoet zijn de
spontaan gebroken (Brout-Englert-Higgs) ijk (Yang-Mills) theorieën.
Pioniers: Glashow, Salam, Weinberg, ‘t Hooft, Veltman, Gross,
Pollitzer, Wilczek, …
• Subtiliteiten: spiegel symmetrie is gebroken en massa…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 28
Het Standaard Model
• Pariteit (of spiegel symmetrie) is gebroken door de zwakke krachten
(Yang and Lee). B.v. muon verval:
Microscopisch: in het Standaard Model interageren rechts- en
linkshandige deeltjes op zeer verschillende wijze via de zwakke
krachten. Zwakke interacties zijn chiraal.
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 29
Het Standaard Model
• Kwantum consistentie maakt het bijzonder moeilijk om massieve
materiedeeltjes in een chirale theorie te hebben. Zo is het ook zeer
moeilijk om massieve krachtdeeltjes consistent te beschrijven. De
oplossing voor dit probleem werd in 1964 gevonden door BroutEnglert-Higgs) spontane symmetrie breking of het Brout-EnglertHiggs mechanisme.
– Vereist de introductie van een nieuw deeltje: het Higgs deeltje.
– Elk deeltje dat niet-triviaal interageert met het Higgs deeltje krijgt een
massa.
– Het Higgs deeltje heeft zelf een massa van minstens 114 GeV/c2 en
waarschijnlijk ten hoogste 200 GeV/c2. Dit is de enige voorspelling van
het Standaard Model dat nog niet ontdekt is (zie ook het volgende
verhaal).
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 30
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 31
Open vragen?
• Het Standaard model dat gedurende de periode 1967-1974
ontwikkeld werd, beschreef alle experimentele resultaten van dat
moment. Daarenboven voorspelde het Standaard Model talrijke
nieuwe fenomenen, deeltjes en interacties. Tot op de dag van
vandaag is er geen enkele observatie in tegenstrijd met het
Standaard Model en dit zowel kwalitatief als kwantitatief!
•  FRUSTRATIE????? Werkloze theoretische fysici?
• Nee, zowel de experimentele/observationele resultaten als het
Standaard Model zelf geven hints voor nieuwe vragen/antwoorden!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 32
Open vragen?
• Het Standaard Model heeft 19 (met een massa sector voor de
neutrino’s wordt dit zelfs 30) vrije parameters die experimenteel
bepaald moeten worden.
– Dit lijkt veel maar is het niet. B.v. in de chemie heeft men al de
atoom massa’s (meer dan 100), reactie karakteristieken, … als
vrije parameters. Hier heeft men slechts een handvol parameters
nodig om een gigantisch aantal fysische fenomenen over
verschillende grootte ordes in energie correct te beschrijven.
– Niettemin, elke vrije parameter is equivalent met een open
vraag: Waarom heeft die parameter de waarde die men
observeert?
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 33
Open vragen?
• Waarom zijn de interacties wat ze zijn? Spontaan gebroken nietabelse ijktheorieën is weliswaar een zeer rigide constructie maar ze
laat nog steeds een oneindig aantal variaties toe…
• Waarom drie generaties elementaire materie deeltjes en niet vier of
twee?
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 34
Open vragen?
• De sterkte van de interacties zijn een functie van de afstands- of
energieschaal.
Rond 1016 GeV: alle interacties hebben dezelfde sterkte. Signaal
voor nieuwe fysica? Unificatie?
• Het hierarchie probleem: supersymmetrie?
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 35
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 36
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 37
Algemene relativiteit
• De Einstein vergelijkingen in de algemene relativiteitstheorie zijn
voor de zwaartekracht wat de Maxwell vergelijkingen voor de
elektromagnetische kracht zijn.
• Gravitationele interactie ↔ kromming van tijd en ruimte.
• Algemene relativiteit is niet kwantiseerbaar  kwantum
gravitatie???
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 38
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 39
Zwarte gaten
• Ontsnappingssnelheid
voor een homogene
sfeer met massa
R
q
straal :
vontsnapping =
2 M GN
R
• Ontsnappingssnelheid = lichtsnelheid
RS =
2 M GN
c2
De Schwarzschild straal is 9 mm voor
de aarde, 3 km voor de zon … Zwarte
gaten zijn alomtegenwoordig in de
natuur… Onmiddellijk gevolg van
Einstein’s vergelijkingen…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 40
c
als (Laplace, 1798):
M
en
Zwarte gaten
• Kwantummechanica ↔ unitaire evolutie = er kan geen informatie
verloren gaan!  De informatie paradox voor zwarte gaten…
• Hawking: zwarte gaten stralen maar de straling is thermisch…
TH =
c3 ~
8¼kB GN M
• Tweede wet van de thermodynamica  entropie (BekensteinHawking)
¡2
4¼G M 2
1
1
kB
met,
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 41
SH =
`P l
N
c~
= AH `
4
Pl
p
= GN ~=c3 ¼ 10¡33 cm
Zwarte gaten
• Zwarte gaten zijn buitengewoon eenvoudige fysische objecten, ze
worden volledig gekarakteriseerd door een zeer beperkt aantal
parameters: massa, impulsmoment, lading, … Entropie 
(Bolzmann: de exponentiële van de entropie = # microtoestanden)
wat zijn de microtoestanden???
• ‘t Hooft: zwarte gaten maximaliseren de entropie. Waarom gaat de
entropie dan als het oppervlakte en niet als het volume? Is er een
holografisch principe aan het werk???
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 42
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 43
Kosmologie
• De zwaartekracht stuurt de structuur van ons universum op zeer
grote afstandsschalen. Maw gebruik algemene relativiteit om de
kosmos te beschrijven.
• Vergelijk met
waarnemingen.
Sinds enige tijd:
precisie data!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 44
Kosmologie
• Waarom is het universum zo vlak?
• Waarom is het universum zo homogeen?
• Waar komen de structuren op zeer grote schalen vandaan? Waarom
zijn de CMB fluctuaties wat ze zijn?
• Wat gebeurde er bij de Big Bang? Inflatie?
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 45
Kosmologie
• Grote verrassing: de expansiesnelheid van het universum neemt
momenteel toe = versnelling (type IA SN, WMAP). Donkere
energie?
• We begrijpen maar 4% van de samenstelling van ons universum…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 46
Inhoud
• Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
–
–
–
–
–
Wat is elementaire deeltjesfysica?
Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar?
Kunnen we dit begrijpen?
Wat begrijpen we (nog) niet?
• En waar is de zwaartekracht?
– Algemene relativiteit
– Zwarte gaten
– Kosmologie
• Een vooruitblik…
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 47
Een vooruitblik
• Al deze open vragen vereisen een begrip van de laatste onbekende
hoek in de fysica:
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 48
Een vooruitblik
• Enig werkbaar idee:
Elementaire deeltjes zijn geen punten maar minuscule snaren…
Gedeeltelijk succesvol (zwarte gaten, holografie) maar nog in volle
ontwikkeling… Nieuwe ideeën  nieuwe experimenten!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 49
Een vooruitblik
• Elementaire deeltjesfysica betreedt een buitengewoon boeiende
periode:
– Samenkomen van verschillende deelgebieden: deeltjesfysica –
astrofysica – kosmologie.
– Talrijke nieuwe theoretische ideeën: supersymmetrie, extra dimensies,
landscape, …
– Nieuwe experimenten bijna online. De hele wereld kijkt uit naar de
opstart van LHC, herfst 2007!!! Zie volgend verhaal!
– Vele andere experimentele resultaten worden de komende jaren
verwacht vanuit diverse hoeken: Ice3, Planck satelliet, LIGO, …
– Wordt zeker vervolgd!
Meesterklassen Fysica 2007
17/03/2007 | pag. 50