Document

Deeltjesfysica
Nikhef: Nationaal instituut voor subatomaire fysica
Ivo van Vulpen
Deeltjesfysica
Bestudeert de natuur op afstanden < 10-15 m
10-15 m
atoom
kern
Quantum theorie beschrijft alle metingen tot 10-18 m
Zwaartekracht en Electromagnetisme
“zelfde krachten … nieuwe modellen”
Relativiteitstheorie
Newton
Einstein
Quantummechanica
Maxwell
Bohr
De kernkrachten
1] Positieve deeltjes stoten
elkaar toch af ?
10-10 m
2] Wat houdt de neutrale
deeltjes bij elkaar ?
2 nieuwe natuurkrachten:
- zwakke kernkracht
- sterke kernkracht
10-15 m
atoomkern
Elementaire deeltjes fysica
Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden:
- Wat zijn de bouwstenen van de materie ?
- Wat zijn de krachten die op deze bouwstenen werken ?
Deeltjesfysicus anno 500 B.C.
Nikhef‘ers 2009 A.D.
De elementaire deeltjes
up
down
elektron
De elementaire deeltjes
up
down
up
up
Proton
down
elektron
up
down
down
Neutron
Wat kan je maken met
deze 3 bouwstenen!
periodiek systeem
van Mendeleev
Alles!
De elementaire deeltjes
up
charm
top
down
strange
bottom
elektron
muon
tau
neutrino
neutrino
neutrino
bouwstenen van
proton/neutron
Deeltjes
Krachten
1) Electromagnetisme
Quarks
2) Zwakke kernkracht
Leptons
elektron
3) Sterke kernkracht
muon
Begrijpen we ook het ‘iets verderop’ ?
Maan
Aarde
Mars
“Quarks en Leptonen zijn de bouwstenen van materie”
1
Donkere materie
Revolutie in kosmologie laatste paar jaar
Structuur van het heelal
Temperatuurfluctuaties
Structuur van het heelal
Rotatie-curves
Gravitationele lens
Donkere materie
We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd !
Materie en anti-materie
elektron &
anti-elektron
muon &
anti-muon
“Materie en anti-materie worden altijd in gelijke
hoeveelheden gemaakt.”
Theorie: materie en anti-materie
zelfde eigenschappen
Levenduur muon: 2.197 μs
Levenduur anti-muon: 2.197 μs
Waar is de anti-materie gebleven ?
Verschil materie en anti-materie
2
Waarneembaar heelal:
wel materie, geen anti-materie
3
“Liever geen massa voor de deeltjes.
Dat breekt namelijk de mooie symmetrie.”
Neutrino’s
Elektron
Muon
Tau
Er is wel massa! Zeer grote spreiding
Massieve W en Z bosonen
up,down, strange
charm
Top quark
bottom
Oorsprong van massa
Higgs boson
Kijken zonder je ogen te gebruiken
1] Kijken met licht
Licht verstrooit aan objecten die groter
zijn dan de golflengte van het licht
 Energie
IR
10-6 m
UV
Röntgen
10-11 m
2] Kijken met deeltjes
Quantummechanica: deeltjes zijn golven
 microscoop voor zeer kleine afstanden:
- klein: elektronen microscoop
- kleinst: Large Hadron Collider
λ ~ 10-19 m
onbekend voorwerp achter een gordijn
… en 100 kogeltjes
bovenaanzicht
?
Hoe ketsen de kogels af ?
Situatie 1
?
?
?
?
Situatie 2
Situatie 1
?
Situatie 2
?
Situatie 3
?
?
Quantum-model
‘Kijken’ naar sub-atomaire structuren:
1) Kleine kogels maken:
2) Berekenen wat je verwacht voor een hypothese:
3) Afgeketste deeltjes kunnen bekijken:
Deeltjesversneller
Theorie
Detector
De grootste microscoop op aarde
de Large Hadron Collider (LHC)
op CERN bij Genève
De LHC deeltjesversneller
Geneve
De Large Hadron Collider
LHC: 27 km
Geneve
A10: 32 km
Amsterdam
The LHC machine
Energie is gelimiteerd door de kracht
van 1232 dipool magneten: B= 8.4 T
Logistieke nachtmerrie
maar gelukt
De LHC is rond !
“Op 10 september hebben bundels
protonen een rondje LHC gemaakt”
doorsnede LHC bundel
Energie 1 proton (LHC)
Energie LHC bundel
3000 x 100.000.000.000 protonen
Bundel 2
Doorsnede LHC
bundelpijp
Bundel 1
40 miljoen botsingen per seconde
Bundel 1
Bundel 2
Klassiek botsen
Quantummechanisch botsen
proton
proton
Wat verwacht je ?
Klopt het ?
Albert Einstein
Bij de LHC op CERN:
Energie omzetten in massa (deeltjes)
Heel vaak botsen
Hoe zien die botsingen er nou uit ?
quark
quark
Simulatie top quark productie
quark
proton
elektron
proton
neutrino
quark
LHCb
ATLAS
CMS
ALICE
het grootste fototoestel op aarde
positie en impuls
geladen deeltjes
magneet
muon detector
magneet
energie elektronen en fotonen
energie quark-deeltjes
mens
De Atlas pixel detector
80 MegaPixel camera 40.000.000 foto’s per seconde
De Atlas SCT detector
Foto in de cleanroom op het Nikhef (Amsterdam)
De Atlas Muon Detector
Nikhef
CERN
mens
De Atlas detector doet het: bundel achtergrond
Op 10 september 2008 Atlas detector operationeel
tijdens start-up LHC bundel
Bundel gestopt op een blok koper
Voor-aanzicht
Atlas detector
Zij-aanzicht
Atlas detector
Ok, het echte werk …
Hoe ontdek je nou nieuwe dingen
Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector
Nieuw ?
Normaal
muon
muon
muon
?
muon
Fotootjes kijken
40 miljoen botsingen per seconde
1 naald in 40 miljoen hooibergen
….. per seconde !
ongeveer 1 Higgs boson per dag
We zijn er klaar voor
LHC versneller
Detectoren
10 september 2008: bundel rond
Nu problemen. Herstart april 2009
ATLAS detector klaar
… LHCb, ALICE, CMS ook
Theorie
Meer dan genoeg vragen
… meer dan genoeg ideeën/oplossingen
Astro-deeltjesfysica
Kosmische straling
•18 oktober 2008
Beneden in de Nikhef hal
Kosmische straling hard
Cygnus
-Quasar
Active Galactic
Nucleus
Flux ( m2 sr s GeV)-1
Wie, hoeveel, hoe hard, … ?
1 deeltje /m2 per jaar
1 deeltje /m2 per jaar
?
1 deeltje /km2 per jaar
Energy (eV)
Pierre Auger detector
Argentinie
1600 tanks, 1.5 km uit elkaar
Oorsprong kosmische stralen ?
 Neutrino experimenten (Nikhef)
g
n
p
Fotonen (g):
geabsorbeerd
Protonen (p):
afgebogen
Neutrino’s (n):
DE BRON
•
ANTARES detector
Kijken naar de bodem vande zee
•n
•p
•Buoy
•14.5
m
•350 m
•100 m
•Junction
box
Oorsprong deeltjes
Protonen: buigen af in galactisch magnetisch veld
Fotonen: geabsorbeerd door gas
Neutrino’s: kan, maar zeer lastig te detecteren
Schaduw van de maan (muonen)
Oorsprong zeer hoog energetische stralen
Einde
Meer vragen:
[email protected]
[email protected]
De natuurkrachten
1)Electromagnetisme
2)Zwakke kernkracht
3)Sterke kernkracht
4)zwaartekracht
Quantum mechanica