Symmetie en in het Standaard Model

Symmetie en
m
e
m
t
r
y
ie
S
in het Standaard Model
Eric Laenen
Utrecht
Thursday, January 12, 2012
Het Higgs deeltje
‣
Wat weet U wellicht al?
-
Higgs deeltje is klein (en duur)
-
de pracht van het Higgs mechanisme
media noemen het te vaak “God-deeltje”?
wordt gezocht onder de grond in Zwitserland
heeft iets met massa te maken
‣ In deze voordracht:
Thursday, January 12, 2012
in het Standaard Model
Twee sleutel concepten
Basiskrachten van Natuur
1
⇔
symmetrie
Deeltjes-massa
II
⇔
gebroken symmetrie
Thursday, January 12, 2012
Twee sleutel concepten
Basiskrachten van Natuur
1
⇔
symmetrie
Higgs
Deeltjes-massa
II
⇔
gebroken symmetrie
Thursday, January 12, 2012
Standaard Model
“theorie van bijna alles”
Thursday, January 12, 2012
Het Standaard Model
Thursday, January 12, 2012
Het Standaard Model
Thursday, January 12, 2012
Het Standaard Model
LSM =
�
f
Thursday, January 12, 2012
/ ψf + T r [Dµ , Dν ][D , D ] + Dµ Φ D Φ − V (Φ) + Y (ψ, Φ)
ψ̄f D
µ
ν
†
µ
Elementaire materie
Atomen, scheikunde
electriciteit,....
Electron
E-neutrino
up-quark
down-quark
Thursday, January 12, 2012
−
e
νe
u
d
1015 /s door lichaam
vanuit zon
Proton= u+u+d
Neutron=u+d+d
Atoomkernen = Z*Proton+(A-Z)*Neutron
Nog 2 “families”
Muon
Muon-neutrino
charm-quark
strange-quark
−
µ
νµ
c
s
Tau
Tau-neutrino
top-quark
bottom-quark
.. en allemaal hun anti-deeltjes
Thursday, January 12, 2012
−
τ
ντ
t
b
Elementaire kracht
Kracht
Deeltje
Typische sterkte
Fenomenen
Electromagnetisme
Photon
1/137
Atomen, scheikunde, straling, licht,
Zwakke kernkracht
W en Z bosonen
0.01
Radioactief verval, kernfusie in zon,
Sterke kernkracht
gluonen
0.1
Atoomkernen, proton massa
Zwaartekracht
gravitonen?
1E-46
Tja..
8
Thursday, January 12, 2012
Zwakke kracht laat de zon schijnen
⎧d
⎪
p ⎨ u
⎪ u
⎩
W
Thursday, January 12, 2012
+
d ⎫
⎪
u ⎬ n
d ⎪⎭
e+
νe
Kracht = deeltjes uitwisseling!!
Thursday, January 12, 2012
Bouwstenen van Standaard Model
‣ Elementaire materie, en kracht
‣ Rekenregels om hiermee te werken
- Een (wiskundig) bouwplan/beschrijving
‣
‣
Thursday, January 12, 2012
gebaseerd op symmetrie
en op velden
Velden
‣ Bekende velden
-
Zwaartekrachtsveld
-
Electron veld
Φ(x, y, z, t)
Aard magnetische veld
‣ Standaard Model: elk deeltje zijn veld
Electromagnetische veld
2
1
Up-quark veld
Higgs boson veld, etc
‣ Deeltjes als veld-pulsen
Thursday, January 12, 2012
0
�1
�2
1.0
0.5
0.0
�2
�1
0
1
2
Velden theorie, hoe goed werkt het?
Magnetische sterkte van het electron
Exp : 1 159 652 188.2 (4.3) × 10
Theorie?
Bereken magnetische lading van electron
door “Feynman diagrammen”:
13
Thursday, January 12, 2012
−12
Velden theorie, hoe goed werkt het?
Magnetische sterkte van het electron
Exp : 1 159 652 188.2 (4.3) × 10
Theorie?
Bereken magnetische lading van electron
door “Feynman diagrammen”:
1
13
Thursday, January 12, 2012
−12
Velden theorie, hoe goed werkt het?
Magnetische sterkte van het electron
Exp : 1 159 652 188.2 (4.3) × 10
Theorie?
Bereken magnetische lading van electron
door “Feynman diagrammen”:
1 159
13
Thursday, January 12, 2012
−12
Velden theorie, hoe goed werkt het?
Magnetische sterkte van het electron
Exp : 1 159 652 188.2 (4.3) × 10
Theorie?
Bereken magnetische lading van electron
door “Feynman diagrammen”:
1 159 652
13
Thursday, January 12, 2012
−12
Velden theorie, hoe goed werkt het?
Magnetische sterkte van het electron
Exp : 1 159 652 188.2 (4.3) × 10
Theorie?
Bereken magnetische lading van electron
door “Feynman diagrammen”:
1 159 652 153.2 (28.3) x 10-12
13
Thursday, January 12, 2012
−12
Standaard Model “developers”
Noether
Dirac
Feynman
Tomonaga
Glashow
Salam
Zweig
Gell-Mann
Weinberg
Veltman
Thursday, January 12, 2012
Schwinger
‘t Hooft
Theorie van “bijna” alles
‣ Zwaartekracht is er niet bij
van het universum is niet‣ 95%
Standaard Model materiaal (donkere
materie en -energie)
‣ .....
Thursday, January 12, 2012
Kracht
en
Symmetrie
Thursday, January 12, 2012
Symmetrie:
transformeer object
kijk of het hetzelfde is
Thursday, January 12, 2012
Symmetrie:
transformeer object
kijk of het hetzelfde is
Thursday, January 12, 2012
Hoeveel symmetrie?
Text
M. Geis
Geen symmetrie
In het Standaard Model zijn er vele soorten symmetrien
Thursday, January 12, 2012
Hoeveel symmetrie?
Ellipsoide
Minder dan bol
Text
M. Geis
Geen symmetrie
In het Standaard Model zijn er vele soorten symmetrien
Thursday, January 12, 2012
Hoeveel symmetrie?
Ellipsoide
Minder dan bol
Kubus
Minder dan ellipsoide
Text
M. Geis
Geen symmetrie
In het Standaard Model zijn er vele soorten symmetrien
Thursday, January 12, 2012
Het electronveld heeft
overal in ruimte-tijd
een wijzertje
‣
Symmetrie: als ik overal het wijzertje anders mag zetten zonder
gevolgen
‣
Het electromagnetisch veld is er om alle wijzigingen te communiceren
Thursday, January 12, 2012
Symmetrie → Kracht
Het electronveld heeft
overal in ruimte-tijd
een wijzertje
‣
Symmetrie: als ik overal het wijzertje anders mag zetten zonder
gevolgen
‣
Het electromagnetisch veld is er om alle wijzigingen te communiceren
Thursday, January 12, 2012
Symmetrie → Kracht
Alle drie de krachtvelden volgen zo uit een symmetrie
Het electronveld heeft
overal in ruimte-tijd
een wijzertje
‣
Symmetrie: als ik overal het wijzertje anders mag zetten zonder
gevolgen
‣
Het electromagnetisch veld is er om alle wijzigingen te communiceren
Thursday, January 12, 2012
Massa
en
Gebroken symmetrie
Thursday, January 12, 2012
Klassiek begrip van massa
‣ Massa als inertie:
F = ma
‣ Massa als lading van zwaartekracht
mM
F = −G 2
r
beide gevallen is massa behouden, het is er
‣ In
gewoon
Thursday, January 12, 2012
Einstein’s massa
‣ Massa als gecondenseerde energie
E
m= 2
c
‣
Voorbeeld
-
‣
-
Proton = 2 up quarks + 1 down quark
m(Proton) = 938 MeV.
MeV
m(up) = 10 Mev. m(down) = 10
Proton massa is voornamelijk bindingsenergie !!
‣ Massa kan ook gemaakt worden (LHC!)
Maar
wat
is
de
oorsprong
van
deeltjes
massa?
‣
Thursday, January 12, 2012
e- e+
mijn “opa”
Thursday, January 12, 2012
Higgs Mechanisme
Het Higgs veld moet op het wijnfles oppervlakte leven.
Vlak na Big Bang, symmetrisch in het midden.
24
Thursday, January 12, 2012
Higgs Mechanisme
Het Higgs veld moet op het wijnfles oppervlakte leven.
Vlak na Big Bang, symmetrisch in het midden.
24
Thursday, January 12, 2012
Higgs Mechanisme
Het Higgs veld moet op het wijnfles oppervlakte leven.
Vlak na Big Bang, symmetrisch in het midden.
Bij het afkoelen van het
heelal na de Big Bang, rolde het Higgs veld in de goot.
Gebroken symmetrie!
24
Thursday, January 12, 2012
Higgs Mechanisme
Het Higgs veld moet op het wijnfles oppervlakte leven.
Vlak na Big Bang, symmetrisch in het midden.
Bij het afkoelen van het
heelal na de Big Bang, rolde het Higgs veld in de goot.
Gebroken symmetrie!
24
Thursday, January 12, 2012
Higgs Mechanisme
Het Higgs veld moet op het wijnfles oppervlakte leven.
Vlak na Big Bang, symmetrisch in het midden.
Bij het afkoelen van het
heelal na de Big Bang, rolde het Higgs veld in de goot.
Gebroken symmetrie!
24
Thursday, January 12, 2012
Higgs Mechanisme
Het Higgs veld moet op het wijnfles oppervlakte leven.
Vlak na Big Bang, symmetrisch in het midden.
Bij het afkoelen van het
heelal na de Big Bang, rolde het Higgs veld in de goot.
Gebroken symmetrie!
Higgsveldsterkte > 0
Thursday, January 12, 2012
24
Higgs veld en massa
In het heelal zou dus overal constant Higgs veld zijn.
Deeltjes die het Higgs veld voelen krijgen zo massa.
Gebroken symmetrie veroorzaakt massa!
25
Thursday, January 12, 2012
Higgs veld en massa
In het heelal zou dus overal constant Higgs veld zijn.
Deeltjes die het Higgs veld voelen krijgen zo massa.
Gebroken symmetrie veroorzaakt massa!
25
Thursday, January 12, 2012
Higgs veld en massa
In het heelal zou dus overal constant Higgs veld zijn.
Deeltjes die het Higgs veld voelen krijgen zo massa.
Gebroken symmetrie veroorzaakt massa!
25
Thursday, January 12, 2012
Higgs en supergeleiding
‣
De wiskunde van het Higgs mechanisme is analoog
aan magnetische afstoting van supergeleider
Thursday, January 12, 2012
Higgs en supergeleiding
‣
De wiskunde van het Higgs mechanisme is analoog
aan magnetische afstoting van supergeleider
Is het heelal een kosmische supergeleider?
Thursday, January 12, 2012
Epiloog:
implicaties?
Thursday, January 12, 2012
Higgs deeltje is een “smoking gun”
‣ Rimpeling in het achtergrond Higgs veld
nu: kijk of het er is, en zich gedraagt zoals
‣ Cruciaal
verwacht
-
wordt het op de voorspelde manier gemaakt?
vervalt het op de voorspelde manieren?
Thursday, January 12, 2012
Higgs produktie
Gluon fusion
Weak boson fusion
SM Higgs production
10 5
LHC
m [fb]
gg A h
10 4
qq A qqh
10 3
qq A Wh
bb A h
gg,qq A tth
10 2
qb A qth
TeV4LHC Higgs working group
Associated production
Thursday, January 12, 2012
t-tbar-Higgs
100
200
qq A Zh
300
400
500
mh [GeV]
Nieuwe vragen
‣ Higgs veld geeft teveel energie in het heelal [Veltman]
Higgs
deeltje
zou
het
eerste
elementaire
deeltje
zijn
‣ zonder spin
-
onnatuurlijke quantum bijdragen aan massa van Higgs
deeltje
-
verklaart nog steeds niet donkere energie en materie
Thursday, January 12, 2012
Nieuwe vragen ⇒ nieuwe ideeen
‣ Supersymmetry
-
invariantie onder menging van materie en kracht
-
Higgs deeltje als gebonden toestand van 2 top quarks?
‣ Nieuwe sterke kracht
‣ ...?
Thursday, January 12, 2012
Samenvatting
‣ Standaard Model
-
velden theorie voor elementaire materie en kracht
‣ Krachten volgen uit abstracte symmetrien
‣ Higgs: deeltjesmassa volgt uit gebroken symmetrie
Veel
nieuwe
vragen
‣
Thursday, January 12, 2012
Samenvatting
‣ Standaard Model
-
velden theorie voor elementaire materie en kracht
‣ Krachten volgen uit abstracte symmetrien
‣ Higgs: deeltjesmassa volgt uit gebroken symmetrie
Veel
nieuwe
vragen
‣
Het vinden van het Higgs deeltje:
een nieuw hoofdstuk
Thursday, January 12, 2012
LHC is aan zet
Thursday, January 12, 2012
LHC is aan zet
Thursday, January 12, 2012