Ken Uw kernkracht

Grenzen aan het extreme
Ed vd Heuvel
‘van oerknal tot
uitdijend heelal’
elementaire deeltjes
kosmologie
Groot,
groter,
grootst
Klein,
kleiner,
kleinst
leven-wetenschappen

Op weg naar de kleinste bouwstenen


Hoe voelen die elkaars aanwezigheid?


De wereld van de elementaire krachten
Nog kleiner? Nieuwe krachten?


De wereld van de elementaire deeltjes
De onbeantwoorde vragen van de wetenschap
Hoe komen we meer te weten?

Deeltjesversnellers, botsingen met extreme energieën
Op weg naar de kleinste bouwstenen
De elementaire deeltjes
De wereld om ons heen
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1 meter
Klein…
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/10 meter
Oftewel 10 cm, 10-1 m
Klein… kleiner
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/100 meter
Oftewel 1 cm, 10-2 m
Klein… kleiner
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/1000 meter
Oftewel 1 mm, 10-3 m
Het vliegenoog is opgebouwd uit honderden ‘facetten’; het lijkt hiermee op een bijenkorf
Klein… kleiner
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/10000 meter
Oftewel 0.1 mm, 10-4 m
Elk ‘facet’ is een kleine lens met daaronder lichtgevoelige cellen.
Klein… kleiner
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/100000 meter
Oftewel 10 m, 10-5 m
Dit is de orde van
grootte waarmee
ultieme precisie
apparatuur wordt
gemaakt;
grootte van een cel
Tussen de facetten is een gevoelig haartje zichtbaar als sensor voor het oogoppervlak
Klein… kleiner
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/1000000 meter
Oftewel 1 m, 10-6 m
Klein… kleiner
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/10000000 meter
Oftewel 0.1 m, 10-7 m
Details van het celoppervlak zichtbaar gemaakt
Klein… kleiner
Schaal:
Figuur heeft grootte van
1/10000000 meter
Oftewel 0.01 m, 10-8 m
DNA molecuul in de kern van de cel. Het bevat al het genetische materiaal.
Het atoom:
De kleinste eenheid van
een element.
Diameter van ongeveer
1/10.000.000.000 m
oftewel 10-10 m
Elektronen omcirkelen de
atoomkern
Verschillende
atomen:
Hebben een verschillende
hoeveelheid elektronen.
Hebben een verschillende
atoomkern
Het atoom is zo goed als leeg!

Stel je maakt een model
van een waterstof atoom


Kern (proton) als voetbal op
middenstip Arena
Dan: elektronen in cirkelbanen ver buiten de
stadsgrenzen!
Diameter
proton:
1/1.000.000.00
0.000.000 m
Oftewel 10-15 m

Elementair elektron:

Niet op te delen in kleinere
delen!
Atoomkernen: protonen en neutronen
Waterstof-kern
1 proton, geen neutronen
+ geladen
Gas bij kamertemperatuur
Helium-kern
2 proton en 2 neutronen,
++ geladen
Gas bij kamertemperatuur
Lithium-kern
3 proton en 4 neutronen,
+++ geladen
Vast bij kamertemp
Periodiek systeem van elementen
Alle materialen, gassen, vloeistoffen opgebouwd uit deze ongeveer 100 ‘elementen’
Inzoomen in atoomkern
De Litium atoomkern:
Quarks
‘Quarks’ als fundamentele bouwstenen van protonen en neutronen.
Er zijn verschillende typen quarks; er zitten drie quarks in zowel een proton als in een neutron
Elementaire spelers
Proton: u + u + d quark, lading=1
Neutron: u + d + d quark, lading=0
Koolstof: 18 u
18 d
6 e-
2/3
Quarks
-1/3
Leptonen
0
-1
Elektrische lading
Veel deeltjes?

Einstein heeft een relatie
gevonden tussen massa en
energie
E=mc2


Hiermee kan energie
worden omgezet
in materie
Zo zijn in laboratoria
veel meer
deeltjes ontdekt.

“gevonden” in
laboratorium
experimenten
A. Einstein
(1879-1955)
Kosmische deeltjes: muonen ()
‘Muon
kamers’ van
het ATLAS
experiment
bij NIKHEF
Muonen lijken op elektronen, maar hebben een grotere massa.
Ze worden bv gemaakt door straling uit de ruimte die tegen de aard-atmosfeer botst
Materie en anti-materie

Voor elk deeltje komt ook een corresponderend antideeltje
voor in de natuur.



Deeltje + anti-deeltje geeft
pure energie


Anti-deeltje heeft precies dezelfde massa
Anti-deeltje heeft tegengestelde lading!
Energie gelijk aan E=mc2
Pure energie kan
deeltje + anti-deeltje creëren
Dagelijkse kost in
deeltjesversnellers:
e+e+
e+eup+up
De elementaire bouwstenen
Anno 2005: De elementaire deeltjes bij elkaar
1st generatie
2nd generatie
3rd generatie
2/3
2/3
-1/3
-1/3
0
0
-1
-1
Quarks
Leptonen
Exotische naamgeving

Alleen up+down quark
en elektron in
‘dagelijkse materie’
Quarks
“Three quarks for Muster Mark!” – James Joyce, Finnigans wake
 Verschillende typen gevonden







Up
Down
Strange
Charm
Bottom
Top
Maken de atoomkernen: protonen en neutronen
Eerste ‘vreemde’ quark; niet in gewone materie
Gevonden in 1974
Gevonden in 1977
Gevonden in 1995
Leptonen

Elektronen en hun zware partners (neutrino-deeltjes overgeslagen)



Elektron
Muon
Tau
Gevonden in 1900 door JJ Thompson
Gevonden in 1948
Gevonden in 1975
Hoe voelen ze elkaar?
De wereld van de elementaire krachten
Wat is een kracht?
Met elke kracht wordt een ‘krachtdeeltje’ geassocieerd
Elektro-magnetische kracht

Aantrekking en afstoting van elektrisch geladen deeltjes


Veel dagelijkse krachten zijn hierop terug te voeren




Gelijke lading afstotend – ongelijke lading aantrekkend
Onderlinge aantrekking atomen
Stabiliteit materialen Spierkracht -
Residu elektro-magnetische
kracht in werking:

Elektronen en protonen
trekken elkaar aan
Elektro-magnetisme

Elektromagnetisme



Elektrisch geladen deeltjes
Uitwisselend kracht deeltje:
fotonen,licht!
Fotonen schieten door het heelal heen
100000000000000
0000000000
fotonen/sec voor
communicatie
Probleem met kernen

Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen

Protonen zijn (positief) elektrisch geladen
Waarom blijven die bij elkaar ‘op een kluitje’ zitten?

Sterke kernkracht
Superlijm
voor quarks!

Sterke wisselwerking



Bindt quarks bijeen
Uitwisselend krachtdeeltje: gluonen
Gluonen blijven dicht bij elkaar:
werkt alleen op heel korte afstand
Bouwen met quarks
De sterke wisselwerking aan het werk
De natuur volgt strikte regels:
alleen samenstelling drie quarks – of quark-anti-quark mogelijk
‘Broertjes& zusjes’ van
protonen en neutronen!
Speel lego met
quarks
‘Periodiek systeem’ van quarks

Hoeveel samengestelde deeltjes kun je maken uit 3 quarks?
De samengestelde
deeltjes met u,d,s,c
quarks zijn allemaal
gevonden in
botsingen
(1963)
Radioaktiviteit



Voor grote atoomkernen ‘houdt’ de sterke kracht de
buitenste protonen en neutronen niet meer bijeen
Er wordt een α-deeltje uitgezonden:
De atoomkern is niet stabiel en valt uiteen


Hier komt een heleboel energie bij vrij
Maar het totale aantal protonen en neutronen blijft gelijk
Twee
protonen en
neutronen
minder
α-deeltje:
twee
protonen en
neutronen
Sporen van geladen deeltjes
Glazen staafje met
Americiumbron
(halfwaardetijd 458
jaar)
(indirekte) Rookmelder met het element Americium:
Straalt α-deeltjes uit en die veroorzaken een kleine stroom.
Bij rook worden de α-deeltjes geblokkeerd en de stroom stopt.
Op dat moment gaat de sirene af
Nog een kernkracht!

Quarks en leptonen kunnen vervallen:
dwz: zij veranderen van type


Quarks en leptonen met grote massa vallen uiteen in
quarks en leptonen met kleinere massa


Bv top-quark vervalt in bottom quark etc…
Het verschil in massa wordt omgezet in energie via E=mc2
Hierdoor zijn alleen elektron
en proton (met uud quarks)
stabiel

Verval van een neutron.
alle andere (uit andere ‘families’)
niet.
Zwakke kernkracht
neutronproton+elektron (+neutrino)
De zwakke kernkracht

De krachtdeeltjes worden
W+, W- en Z0 deeltjes genoemd


Dit zijn krachtdeeltjes die ook zelf
een massa hebben – ongeveer
100 maal de massa van een proton!
Ontdekt in 1983 in Geneve
(nobel prijs oa naar Simon van der Meer)
pp  WX
W  ee
Sterke & zwakke kernkracht
nuclear wapens ( 1945)
Energie uit kernfusie
geneeskunde ( 19??)
Radio-chemische datering, kanker behandeling, ………
Branden van de zon
Samenvatting wisselwerkingen
‘Standaard
Model’
1 type beschrijving
(quantumvelden
ijktheorieen)
4 basis typen
wisselwerkingen
Nog kleiner? Nieuwe krachten?
De onbeantwoorde vragen van de wetenschap
Elementaire spelers
Zijn deze quarks echt elementair??
1st generatie
2nd generatie
Waarom 3 families?
Zijn er meer?
3rd generatie
2/3
2/3
-1/3
-1/3
0
0
-1
-1
Quarks
Leptonen
Status van het Standaard Model

Veel succes met het Standaard Model


Prima beschrijving van alle typen botsingen
Nobel prijs (1999) naar Gerard ‘t Hooft en Martinus Veltman


Maar er mist iets:


Het ‘Standaard Model’ voorspelt het bestaan van het Higgs deeltje.
Maar dit deeltje is nog nooit waargenomen.
Maar het is onvolledig:


Onderliggende wiskundige structuur
Het Standaard model beschrijft niet de zwaartekracht.
En er zit ‘estetisch’ iets scheef

Het Standaard model heeft (te) veel ad hoc parameters nodig – is er
een eenvoudiger diepere structuur?
De grote vragen
Veel vragen blijven onbeantwoord
• Zijn quarks en leptonen echt elementair ?
• Waarom zijn er 3 families ? Zijn er meer ?
• Waarom leven we in een wereld van materie, en niet van antimaterie?
• Is het Standaard Model de ultieme theorie?
• Wat is verband tussen kracht deeltjes en materie deeltjes?
• Worden de krachten geünificeerd?
• Speelt snaar-theorie een rol?
• Fascinerende en merkwaardige theorieën:
• Hoeveel dimensies bestaan er werkelijk?
• Wat is donkere materie?
• Onverwachte processen?
Hoe komen we meer te weten?
Botsingen in deeltjesversnellers
Verstrooiings-experimenten
Verstrooiing ‘zachte’ kern
Een aardbei
Verstrooiing ‘harde’ kern
Een aardbei met pit
Dit soort verstrooings-experimenten onthullen de interne structuur
Gereedschap voor het bestuderen van materie op kleinst nivo
Resolutie van een microscoop


Bekogel in het donker een onbekend voorwerp. Wat is het?

Gooien met grote voetballen geeft lage resolutie

Gooien met kleine knikkers geeft hoge resolutie
‘Resolutie’ hangt af van energie van de botsingen

Hoe hoger de energie van de botsing
Hoe beter de ‘scherpte’ om het voorwerp te ‘zien’.
Grote versnellers

Versneller - laboratoria
in de wereld:

TV versnelt
elektronen tot
energie van 20000
volt = 0.00002 GeV
Bv CERN (Geneve)
http://www.cern.ch
~zichtbaar licht
cyclotron
grote versnellers
De ultieme versneller:
Large Hadron Collider
(2007-20??)
De meetopstelling

De versneller:
Large
Hadron
Collider



Protonen
botsen
op
protonen
27 km omtrek
De meetopstelling:
ATLAS


Detectie van
botsingsproducten
46x25x26m
Waanzinnige parameters:
Grootte
~ 10 keer zo ‘ingewikkeld’
als ooit tevoren
Menskracht >4000 natuurkundigen
Kosten
> 3000 M€
LHC machine
Omzetting energie
naar deetjes met
E=mc2

Proton-proton botsingen:
Beschikbare energie: 14000 GeV
 Zoeken naar deeltjes met
grote massa

•
•
•
Limiet gegeven door sterkte magneten
1232 magneten met B=8.4 T,
operationeel bij 1.9 K
Grootste koelkast ter wereld
Bundel-intensiteit enorm
 Zoeken naar zeer zeldzame
processen

•
Elke seconde 40 miljoen
mogelijke botsingen
Fenomenologie van pp botsingen
‘Harde’ botsingen:
“Alsof je twee wekkers
op elkaar knalt…”
Feitelijk is proton een bundel van quarks
ATLAS:
Lengte
44 m
Diameter
22 m
Gewicht
~7000 t
Electronische kanalen
108
het experiment
~ 150 instituten
~1800 natuurkundigen
De ‘atlas’ put
Meting van de knallen
“…om uit de brokstukken
het mechaniek te achterhalen”
Productie
per seconde
Zachte botsingen
W± e±
Z0 e+eTop-anti-top quarks
bb +X
QCD jets, pT>150 GeV
108
15
1
1
103
102
Higgs deeltje: ~ 1 per dag
Mijn dagelijkse werk:
Selectie interessante gebeurtenissen uit
‘achtergrond’ van 1 op 1013 gebeurtenissen
- Dit is equivalent met zoeken van 1 persoon op 1000
wereldpopulaties
-Oftewel één naald in 20 miljoen hooibergen
Spektakel

LHC als echte
‘ontdekkings’
machine

Ongekend grote
energieën;
“Terra icognita”

Mogelijke
spectaculaire
gebeurtenissen
Creatie en verval van een klein zwart gat…
“The most important task for scientists is to
search for the most fundamental laws, from
which a picture of the world can be deduced.”
Higgs interakties
Lege ruimte
Massaloze deeltjes bewegen met de
lichtsnelheid. Alle deeltjes zijn massaloos en
hebben dezelfde snelheid
Higgs ruimte
Massaloze deeltjes wisselwerken met konstant
achtergrond ‘Higgs’ veld en worden gestopt.
Effectief krijgen zij een massa.
Snelheid (=massa) van deeltje hang af van de
sterkte van de wisselwerking
Higgs deeltje
Quantum mechanische fluctuatie van de
achtergrond zelf: het Higgs deeltje
Consequentie van Higgs achtergrondveld
Het “stroop” argument
Atoomkernen die uit elkaar vallen