Document

Het Meten van “Subatomaire Deeltjes”
• original work
• detailed version
Gerhard Raven ([email protected])
FEW / SAF (SubAtomaire Fysica)
Een “Nevel Vat”
Als electrisch geladen deeltjes door de ‘nevel’
vliegen botsen ze met ‘neveldeeltjes’, verliezen
energie aan de ‘nevel’ die hierdoor ‘lokaal’ gaat
koken waardoor ‘bubbles’ ontstaan
Dwars Doorsnede
Een Bellenvat onder Constructie
Eén van de laatste (en
grootste) “Bubble
Chambers” uit 1971:
4m
3.7m
BEBC (Big European
Bubble Chamber) @
CERN (Genève, CH)
Gevuld met vloeibaar
waterstof @ -259 oC
Supergeleidende
magneet (grootste
ter wereld in ’71)
Goed voor 6.3M fotos
(3000km film!)
Opdracht:
Analyseer deze ‘bellenvat’
foto aan de hand van een
aantal vragen
Doel:
Het ontdekken van hoe
de eigenschappen van
subatomaire deeltjes
gemeten kunnen worden,
en aan welke ‘regels’ deze
deeltjes zich houden
Dit is een foto van een
bellenvat, gevuld met
waterstof (i.e. protonen
en electronen) waarop
een bundel van negatief
geladen ‘Kaon’ deeltjes
(a.k.a. K-) wordt
geschoten
Uit welke richting komen
deze K- deeltjes?
Het bellenvat bevat waterstof,
(i.e. protonen en electronen).
In deze foto zie je twee
botsingen aangegeven, bij
“A” en bij “B”
Welke botsing is met een
proton, en welke is met een
electron?
Hint: het proton heeft een massa van
2000x de massa van een electron.
A
K-
B
K
K K
Als je goed kijkt, zie je
de K- en e- naar links
afbuigen en het p+ naar
rechts
Dit komt omdat het
bellenvat in een
magneetveld staat.
Wat is de lading van het
donker blauwe deeltje?
p+
e-
K-
K
K K
Heb je het magneetveld echt
nodig om de lading van het
donker blauwe deeltje te
bepalen?
Door de buiging in het
magneetveld te meten kunnen
we het ‘momentum’ van een
geladen deeltje meten:
p  mv
Hoe minder een deeltje buigt,
des te hoger is het ‘momentum’
Intermezzo
Voor het gemak meten
we ‘energie’, ‘massa’ en ‘momentum’ in
dezelfde eenheid, gebaseerd op
de ‘electronVolt’ (eV)
p-
Een ‘eV’ is de energie dat een electron
krijgt als het door een electrisch veld
van 1 Volt loopt (1.6 10-19 Joule).
Vervolgens gebruiken we Einstein om te
converteren tussen energie, massa en
momentum:
2
2 4
2 2
p+
E m c  p c
K-
Voorbeeld: Een deeltje met een massa
van 1 GeV/c2 weegt 1.783 10-27 kg
Door de buiging in het
magneetveld te meten kunnen
we het ‘momentum’ van een
geladen deeltje meten:
p  mv
Hoe minder een deeltje buigt,
des te hoger is het ‘momentum’
Intermezzo
Voor het gemak meten
we ‘energie’, ‘massa’ en ‘momentum’ in
dezelfde eenheid, gebaseerd op
de ‘electronVolt’ (eV)
p-
Een ‘eV’ is de energie dat een electron
krijgt als het door een electrisch veld
van 1 Volt loopt (1.6 10-19 Joule).
Vervolgens gebruiken we Einstein om te
converteren tussen energie, massa en
momentum:
2
2 4
2 2
p+
E m c  p c
K-
Voorbeeld: Een deeltje met een massa
van 1 GeV/c2 weegt 1.783 10-27 kg
De ‘inkomende’ deeltjes bij deze
botsing zijn het K- :
mK  0.49 GeV/c2
0


pK   8.26 GeV/c 


0


+
en het p (dat ‘stil’ stond voor de
botsing!):
mp  0.94 GeV/c2
0
pp   0 
0
 
p-
y
Wat is het totale momentum voor
de botsing?
Bepaal de totale energie (in GeV)
voor de botsing met behulp van
Einstein’s formule:
p+
x
K-
E 2  m2c 2  p 2c 2
 m2c 2   px2  p y2  pz2  c 2
De ‘uitgaande’ deeltjes in deze botsing
lijken te zijn een negatief pion (p-):
mp  0.14 GeV/c2
 0.74 GeV/c 
pp   7.18 GeV/c 


0


En het p+:
mp  0.94 GeV/c2
 0.32 GeV/c 
pp   0.45 GeV/c 


0


p-
y
Wat is het totale momentum na de
botsing?
Bepaal de totale energie (in GeV)
na de botsing met behulp van
Einstein’s formule:
p+
x
K-
E 2  m2c 2  p 2c 2
 m2c 2   px2  p y2  pz2  c 2
Het lijkt erop dat er zowel
‘energie’ als ‘momentum’
verloren zijn gegaan in
deze botsing.
0


pin  pK  ppin   8.26 GeV/c 


0


 0.42 GeV/c 
pout?  pp  ppout   7.63 GeV/c 


0


Ein  EK  Epin  9.21 GeV
Eout?  Ep  Epout  8.31 GeV
pIs dit een probleem?
p+
K-
Zo ja, wat zou de
oplossing kunnen
zijn?
Voor gevorderden:
p+
Bepaal de massa van het
neutrale deeltje (in GeV/c2)
door ‘behoud van energie
en momentum’ te eisen
p-
Voor gevorderden:
K0
p+
K-
p-
Geef een 2e manier om de
massa van het neutrale
deeltje te meten
ietsje meer werk:
Ontdekking van de W in 1964
Samenvatting
1. We kunnen het spoor dat electrisch geladen
deeltjes afleggen zien in een bellenvat.
2. We kunnen het momentum van een
electrisch geladen deeltje bepalen door te
meten hoe het buigt in een magnetisch
veld.
3. Bij botsingen zijn momentum en energie
behouden.