Slide 1 - science.uu.nl project csg

Het Fysische Wereldbeeld.
Deeltjesfysica en Cosmologie
1) Het Standaardmodel
Intro: het atoom
Fermionen en bosonen
De 4 elementaire krachten
Het ijkveld
Higgs-mechanisme
De 3 generaties
Experimenten
2) De Cosmologie
De Big Bang
Baryosynthese
Nucleosynthese
Cobe
De Cosmologische Canon
Atoomkern
1 Angstrom 
1
cm
100.000.000.
1
Angstrom
100.000
1

cm
10.000.000.000.000
1 Fermi 
electron
Proton
Atoomkern
Quarks
Neutron
(Einstein)
Speciale
Relativiteit
(Bohr)
+
=
Quantummechanica
Elementaire-deeltjesfysica
( = Hoge-energiefysica
= Quantum-veldentheorie)
(Paul A.M. Dirac)
Volgens de speciale relativiteitstheorie, mag
een deeltje geen ruimtelijke uitgebreidheid
bezitten ...
( Dan zou het deformeerbaar moeten zijn )
Volgens de Quantum mechanica kan een
deeltje niet exact gelocaliseerd worden
(Dit zou een oneindige hoeveelheid
energie kosten)
Paul A. M. Dirac
Richard P. Feynman
Fermionen en bosonen
Fermionen:
electron, proton, neutron, quarks, neutrino’s
“materie-deeltjes”. Niet twee identieke deeltjes in
dezelfde quantumtoestand. Nemen daardoor ruimte
in beslag. Voorbeeld:
(Pauli)
  
Bosonen:
foton, pion, graviton, Higgs-deeltje
“kracht-overbrengende deeltjes”. Energie-quanta van
velden. Gaan juist wel in dezelfde qu.-toestand zitten
om een veld te genereren. Voorbeeld:
   ;

fermion + fermion = boson
Oneindigheden
In de praktijk leidt dit tot een zeer sterke restrictie van
wat kan en wat mag, in de quantum-veldentheorie.
Renormalisatie
De vier elementaire krachten
in de elementaire deeltjes
De elektro-magnetische kracht
De sterke kernkracht
De zwakke kracht
De zwaartekracht
N
Z
Elektro-magnetische kracht
- Vele elementaire deeltjes hebben elektrische lading: een geheel
(positief of negatief) veelvoud van de proton-lading e
- Deeltjes met spin hebben ook een magnetische component μ
- De elektromagnetische kracht wordt overgedragen door het
energiequantum van licht, het foton γ.

De effecten van de em kracht kunnen zeer nauwkeurig worden
berekend:
Het magnetisch moment van het electron kon worden
gemeten:
g / 2  1, 001 159 652 180 85
 76
Vgl: afstand
tot de Maan
tot op 0,3 mm
nauwkeurig
Hieruit afgeleid:
e2

 1/137, 035 999 710
2hc
 96
Vgl: afstand
tot de Maan
tot op 30 cm
nauwkeurig
- werkt uitsluitend op
HADRONEN
(deeltjes in atoomkern)
Proton
neutron
pion
kaon
Zeer snelle processen
( 10
Resonanties:
-23
sec.)
Zeer sterk op
korte afstanden
(= binnen atoomkern)
Proton = u + u + d
Neutron = u + d + d
Lambda = u + d + s
lading = 1
lading = 0
lading = 0
Wat is de lading van de quarks?
u
2
3
2u  d  1
4u  2d  2
u  2d  0
u  2d  0
d   13
2
s   13
u  d 1
3u
De kleur theorie (Quantum-chromodynamica)
q
q
q
g
q
8 gluon-kleuren
Quark soorten
quarks
 23
 13
 23
 13
 23
 13
u
d
c
s
u
d
c
s
Antiquarks
u
d
c
s
t t t
b b b
up
down
u
charm
d
c
strange
s
top
bottom
t
b
u u  23
 13
d d
c c  23
1

s s
3
t t
b b
 23
 13
De Zwakke Kracht
Fermi’s fundamentele interactie
hier zijn altijd 4 fermionen bij betrokken

de
u
e
ue
e
d
Het Intermediaire
Vector-boson
e ( , d , ...)
 e (  , u,...)
W
  ( e , u,...)
 (e, d ,...)
Het Yang-Mills veld
C.N. Yang and R.L. Mills, 1954
C.N. Yang
Het Yang-Mills veld
C.N. Yang and R.L. Mills, 1954
C.N. Yang
Yang - Mills quanta
-
o
+
o
+
proton
-
+
o
neutron
Multiplets
volgens de Yang-Mills theorie
spin 
1
spin  0
spin  1
P
2

A


Nucleonen
N

o
A
o


A

pionen
Yang-Mills
deeltjes
Net als planeten en tennisballen
hebben elementaire deeltjes ...
Spin !
In een Yang-Millsveld, blijft de spin van een
deeltje behouden !
Neutrino
Anti Neutrino
In de Yang-Mills theorie is er symmetrie:
De deeltjes in een multiplet moeten “identiek” zijn.
Proton en neutron lijken op elkaar, maar zijn
niet identiek.
We spreken van “symmetrie-breking”
Ook de eigenschappen van het YM boson zelf zijn
niet zo symmetrisch als in de YM vergelijkingen
zou moeten.
Het Higgs-mechanisme
Het Higgs-mechanisme
Het Higgs-mechanisme
Spontane
symmetrie breking
Het Standaard model
Leptonen
Generatie I
Generatie II
e e
 
Generatie III
 
sterke kracht
Quarks
u u u
c c c
s s s
d d d
YM
Bosonen
Z0
W
W


t +t
em
zwakke
kracht
t
b b b
Higgs
g
 
e e  hadrons
CESR
DORIS
PEP
PETRA
TRISTAN
e e     
e e  
Total cross sections
The
highway
across
the
desert
Planck length : 10 35 m
10 33 m
10 30 m
GUTs
10 27 m
10 24 m
Today’s
Limit …
10 21 m
10 18 m
10 15 m
LHC
CERN deeltjes detector ATLAS
Gesimuleerde detectie
van een Higgs-deeltje
De Supersnaren-theorie