Deeltjesfysica 1 (Introductie Hoge Energie Fysica)
advertisement
Deeltjesfysica 1 (Introductie Hoge Energie Fysica) Stan Bentvelsen & Ivo van Vulpen Nicole Ruckstuhl & John Ottersbach Nicole Ruckstuhl & John Ottersbach Praktische informatie Praktische informatie Inhoud (werk‐) college ( ) g Aansluiting curriculum g Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 1 Praktische informatie • Studiemateriaal • Opzet: p – ‘Introduction to Nuclear and Particle Physics’ • A. Das & T. Ferbel & b l • Binnenkort verkrijgbaar via NSA • Nu kopieën van eerste hoofdstuk beschikbaar – Hoorcollege op dinsdag 11:00 – 13:00 • Half‐om‐half SB & van Vulpen lf h lf & l • Start 5 Februari – Werkcollege op donderdag g p g 11:00‐13:00 – Transparanten bij het college • Oefeningen & uitwerkingen • Nicole Ruckstuhl Nicole Ruckstuhl & John & John Ottersbach • Verkrijgbaar via Blackboard Verkrijgbaar via Blackboard – Studiemateriaal • Achtergrond materiaal “Hall of Fame” – Tentamen • Deeltentamen halverwege • Schriftelijk eindtentamen Kijk altijd op Blackboard voor mededelingen! Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 2 Inhoud college g • Toegang tot elementaire g g deeltjes – Deeltjes versnellers – Kosmische straling – Detectoren • Ontwikkeling van deeltjesfysica • Wereld van het elementaire – – – – De atoomkern De deeltjesdierentuin Het quark model ‘Zware’ leptonen • Eigenschappen elementaire deeltjes – Verstrooiing experimenten – Verassingen van de 20e eeuw Verassingen van de 20e eeuw – Symmetrieen van deeltjes • Pariteit, tijdsomkeer, … , j , • Anti‐materie – Krachten Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 3 Fermionen: elementaire spelers p Proton: u + u + d quark Proton: u + u + d quark Neutron: u + d + d quark Quarks Koolstof: 18 u, 18 d, 6 e‐ 2/3 -1/3 Leptonen p 0 ‐1 1 Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 4 Wisselwerkingen g Fenomenologie: ‐ 4 basis typen wisselwerkingen ‐Hoe is men hiertoe Hoe is men hiertoe gekomen? ‐ Hoe gedragen deze krachten zich? Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 5 De ultieme versneller: De ultieme versneller: Large Hadron Collider (2008‐‐20??) (2008 Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 6 ATLAS: het experiment Lengte 44 m Diameter 22 m 22 m Gewicht ~7000 t Electronische kanalen 108 ~ 150 instituten ~1800 1800 natuurkundigen natuurkundigen Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege P 7 Astrodeeltjesfysica j y Ultra hoog energetische deeltjes! Ultra hoog energetische deeltjes! Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 8 Aansluiting g curriculum • Voorkennis – Speciale Relativiteitstheorie – Quantumfysica 1 • Aansluiting op ‘deeltjesfysica‐2’ – DF DF‐2 2 gericht op fenomenologie van het gericht op fenomenologie van het ‘Standaard Standaard Model Model’ • Zeer goed vervolg van deze cursus – Kan afzonderlijk worden gevolgd j g g • Kleine ‘overlap’ onvermijdelijk Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 9 Rutherford verstrooiing g Hoofdstuk 1 van Das & Ferbel Introductie deeltjesfysica Ontdekking van het elektron Th Thomson atoom model t d l Rutherford atoom model Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 10 Periodieke systeem y elementen • Periodieke systeem – Tabel van chemische eigenschappen van g pp materialen • Mendeleev 1889 – Al Als eerste de herhalende eigenschappen d h h l d i h (‘periodiek’) bij elkaar • Systeem alom tegenwoordig y g g – Na vele iteraties zijn alle elementen geordend – Classificeren, systematiseren & Classificeren systematiseren & vergelijken van elementen – 118 elementen bekend • El Element 117 (ununseptium) t 117 ( ti ) nog niet gesynthetiserd • Element 118 (ununoctium) 3 atomen ‘gezien’: 3 atomen gezien : edelgas edelgas Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 11 Wilhelm Konrad Röntgen g • Elektromagnetische straling – Veel Veel experimenten over elektriciteit en experimenten over elektriciteit en magnetisme in 19e eeuw. – Studie van kathodestralen • Elektrische stroom door vacuüm stolp 1845‐1923 – Elektronenkanon versneld door elektrisch veld op fluorescentieplaatje • Productie en detectie van x‐rayy stralingg – Observatie van fluorescentie over afstand van 2 meter, door zwart papier heen • X‐stralen tgv X t l t botsing kathode stralen met glas b t i k th d t l t l – Allereerste nobel prijs (1901) – "ter erkenning van de buitengewone diensten die hij heeft geleverd door de ontdekking van de opmerkelijke straling die vervolgens naar hem is Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege genoemd." 12 Henri Becquerel q • Radioactieve straling – Toevallige ontdekking in 1896 g g – Onderzoek naar fenomeen van Roentgen • Fotografische platen opgeborgen in lade met uranium zouten bleken volledig te zijn met uranium zouten bleken volledig te zijn ‘belicht’ • Becquerel toonde aan dat mysterieuze ‘straling’ van uranium afkomstig was g g • Dit was niet de x‐straling van Rontgen! – Nobel prijs in 1903, samen met Pierre en Marie Curie Marie Curie • SI eenheid voor straling – 1 Becquerel (Bq) is activiteit van radioactief materiaal waarbij 1 kern d f l b k vervalt per seconde • 1 Bq = 1 s‐1 Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege (1852‐1908) 13 Pierre en Marie Curie • Onderzoek naar radioactieve straling – Radioactieve materialen thorium en uranium – Uraniumerts (‘pekblende’) bevat nieuwe materialen: – Polonium • Element 68, waarvan 25 isotopen, allemaal radioactief • Po‐210 halfwaardetijd 138 dagen, alpha‐emitter h lf d d d l h – Radium • Element 88, waarvan 25 isotopen • Halfwaardetijd 1602 jaar, verval in Radium gas Halfwaardetijd 1602 jaar verval in Radium gas • 1 gram Ra ~ 2·106 maal zo radioaktief als uranium 1867‐1934 1867 1934 – Marie Curie won twee Nobel prijzen – Natuurkunde Natuurkunde (1908): (1908): "gezamenlijke gezamenlijke onderzoek naar de onderzoek naar de stralingsverschijnselen ontdekt door Becquerel “ – Scheikunde (1911): "ontdekking van de elementen radium en polonium, door de isolatie van radium en de studie van de aard en samenstelling van dit opmerkelijke element". • Oude eenheid voor straling – 1 Curie = 37 GBq 1859‐1906 Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 14 3 typen yp straling g • Er werden drie typen straling gevonden – Alle aanwezig in radium – a‐straling: • Snel geabsorbeerd door materiaal, met grote ionisatie • Mede ontdekt door Paul Villars – Ontdekking van g‐straling in uranium – Helium kern: 2 protonen en 2 neutronen – b‐straling • Negatief geladen deeltjes, gewoonlijk met hoge energie, vergelijk kathode straling – Elektronen 1860‐1934 – g‐straling • Neutrale straling, kunnen diep door materiaal doordringen • X‐straling – Fotonen met hoge frequentie Fotonen met hoge frequentie Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 15 Dimensies • Typische grootte van de bouwstenen: – – – – Atoom Kern P t Proton, neutron t Elektron, quarks 10‐10 m 10‐14 m 15 m 10‐15 <10‐18 m • Eenheid conversies: – – – – – Milli Micro (μ) ( ) Nano Pico Femto 10‐3 10‐66 10‐9 10‐12 10‐15 • Lengte‐eenheid ‘Angstrom’: 10‐10 m Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 16 J.J. Thomson • Ontdekking van het elektron • Nobel prijs 1906 – Zie volgend transparant Zie volgend transparant • Samenstelling van het ‘plumpudding’ model van het p p g atoom • Experimenteel Experimenteel onderzoek onderzoek naar de geleiding van elektriciteit in gassen – Zie volgend transparant (1856‐1940) Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 17 Ontdekking g van het elektron • Afbuiging kathodestraal – II.e. negatief geladen deeltjes e negatief geladen deeltjes – In elektrisch en magnetisch veld • Zet nu B=0 en meet afbuiging R – zodat V=Ec/B E E= 0 – Kies B en E zodanig dat netto g afbuiging nul is • Meting van de verhouding e/m – De gemeten massa is veel kleiner dan de massa van het waterstofatoom (~1700) • Plump‐pudding model: – Hier bleek dat snelheid van kathode stralen groot is, orde g , lichtsnelheid/3 – Massa elektron klein in verhouding tot atoom – Atoom is neutraal Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 18 Earnest Rutherford • De ‘Einstein’ van de experimentele natuurkunde – Basis voor het huidig atoommodel • Zware kern met daaromheen elektronen – Ontdekker van het proton • Nobel prijs in 1908 • Nota bene voor scheikunde • Voor zijn onderzoek naar het verval van elementen en de scheikunde van radioactieve materialen (1871‐1937) • We zullen zijn experiment analyseren – ‘R ‘Rutherford th f d verstrooiing’ van a‐deeltjes t ii ’ d ltj met een trefplaatje – Lees zijn bibliografie in ‘Hall of Fame’! j g Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 19 Eenheden • Massa als energie‐eenheid: – E=mc2 • Gebruik van de elektronvolt ((eV)) – Energieverandering van vrij deeltje met lading e dat een potentiaalverschil van 1 Volt t ti l hil 1 V lt doorloopt – 1 eV = 1.6021∙10‐19 Joule • Eenheden conversies – – – – – Kilo Mega Giga Tera Peta 103 106 109 1012 1015 • Typische massa – Elektron: 0.5 MeV/c2 – Proton: 988 MeV/c2 (~1 GeV/c2) – a‐deeltje: a‐deeltje: ~4 4 GeV/c GeV/c2 Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 20 Botsing g van a-deeltjes j • Gebruik van a‐straling: – Botsing Botsing van a van a‐deeltje deeltje op een op een ‘target’ deeltje (trefplaatje) • Gebruik Klassieke Mechanica: – Behoud van impuls – En behoud van kinetische energie • NB: als mt=ma dan gaan deeltjes na de botsing loodrecht op elkaar • Stel trefplaatje zijn elektronen: – a‐deeltjes d l j veel zwaarder l d – a‐deeltje a deeltje gaat onverstoord door gaat onverstoord door – Geeft: – Overdragen van impuls: g p Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 21 Rutherford verstrooiing g V Verwacht ht op basis van Thomson b i Th model voor goudatomen dat alle α–deeltjes d l d t d t ll d ltj verstrooien onder een kleine hoek θ θ h h Historisch experiment in Manchester, uitgevoerd door Geiger & Marsden: α j g Observatie – meeste α–deeltjes gaan rechtuit ‐ onverwacht botsen onder grote hoek Rutherford: It was quite the most increadible event that ever happened to me in my life. It was as increadible was as increadible as if as if you fired a 15‐inch shell a 15 inch shell at a piece at a piece of tissue paper and it of tissue paper and it came back and hit you Voorbeeld Verstrooiing ‘zachte’ kern E aardbei Een db i Verstrooiing ‘harde’ kern E Een aardbei met pit db i i Dit soort verstrooings‐experimenten onthullen de interne structuur Gereedschap voor het bestuderen van materie op kleinst nivo Rutherford verstrooing g Beschrijving in bol‐coordinaten (r,c) Inkomend deeltje met impact‐parameter b wordt afgebogen met hoek q f b h kq door Coulomb kracht Het inkomende deeltje heeft energie E, massa m en snelheid v Dit deeltje wordt afgebogen door de Coulomb potentiaal van de kern j g g p Inkomend deeltje (‐∞) beweegt vrij, uitgaand deeltje (+∞) ook, verstrooid over hoek q We zoeken een formule die de impact parameter b relateert aan de uitgaande hoek q Afleiding van deze Rutherford verstrooiing is niet eenvoudig! We zullen een aantal stappen laten zien Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 24 Afleiding g Rutherford formule • Verband impact parameter en energie – Via Via torsie in conservatief krachtveld is nul: torsie in conservatief krachtveld is nul: ~r £ F~ = 0 – Draaiimpuls is dus behouden l = ~r £ m~v = konstant – Verband draaiimpuls en energie: l = mv0 b • Energievergelijking in bolcoördinaten – Nu de verandering van x (dc) schrijven in termen van verandering in r (dr): Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 25 Afleiding g Rutherford formule • Symmetrie‐as van verstrooiing – Meest dichtbij tot trefpunt: c Meest dichtbij tot trefpunt: c0 – Omdat c0 de symmetrie‐as is, wordt hoek q gelijk aan: – Nu nog bepalen van r0 via de definitie • We hebben nu alle elementen in handen: – G Geef een potentiaal V(r ) en via de uitdrukking f t ti l V( ) i d itd kki hierboven kan de hoek q worden achterhaald. – Neem nu de Coulomb potentiaal – Hieruit volgt uiteindelijk (lange afleiding zie boek): (lange afleiding‐ zie boek) Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 26 Werkzame doorsnede • Tot nu toe verstrooiing 1 a‐deeltje in centraal potentiaal veld • Experimenteel: – Bundel van deeltjes op een trefplaatje – Meting van uitgaande deeltjes – et g a u tgaa de dee tjes bepa bepaling hoek q g oe – ope openingshoek dW gs oe d • Inkomende flux: – N0: aantal deeltjes per eenheid oppervlakte per seconde j p pp p • Aanname: flux constant door heel trefplaatje heen • Aanname: slechts 1 interactie met trefplaatje • Verstrooiing aan een enkel puntdeeltje V ii k l d lj – Elk deeltje met impact param (b,b+db) wordt verstrooid over (q,q‐dq) – Aantal deeltjes dat wordt verstrooid evenredig met oppervlak: N Aantal deeltjes dat wordt verstrooid evenredig met oppervlak: N0bdbdf – Effectieve transversale oppervlak dat het inkomende deeltje verstrooit over hoek (q,q‐dq): Ds(q,f) Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 27 Werkzame doorsnede Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 28 Werkzame doorsnede • Transversaal oppervlak (werkzame doorsnede): – Fractie van oppervlakte vòòr de botsing dat deeltje ná de botsing in openingshoek dW wordt verstrooid. – Negatief omdat q kleiner wordt als b groter wordt – Hier geen afhankelijkheid van de azimut hoek f Hier geen afhankelijkheid van de azimut hoek f – Zodat de differentiële werkzame doorsnede: • Eenheden – De eenheid van werkzame doorsnede is oppervlakte, cm2. – Natuurlijke eenheid ‘barn’ 10‐24 cm2. • Typische grootte van atoom kern van orde van 10‐12 cm Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 29 Werkzame doorsnede – Even wat trigonometrie • Vul nu de uitdrukking voor Coulomb verstrooiing in: – Zodat de werkzame doorsnede gelijk wordt aan: Zodat de werkzame doorsnede gelijk wordt aan: Rutherford werkzame doorsnede • ‘Totale’ werkzame doorsnede – Integreer over alle ruimtehoeken dW Deeltjesfysica I ‐ Hoorcollege 30
