De Zon - Nikhef

Welkom • • • • • • • • • • •
10:15 - 11:00 Deeltjes fysica
11:15 – 12:00 NIKHEF tour
12:15 – 13:00 Levensduurmeting
• • • • • • • • • • • • Lunch • • • • • • • • • • •
14:00 – 14:45 Water detectoren
15:00 – 15:45 Discussie
• • • • • • • • • • Afsluiting • • • • • • • • • •
••••••••••
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Energie huishouding v/d zon
Energie flux: op aarde:  1400 W/m2
Dus zon straalt uit: 4L21400  41026 W
Stel: benzine bom:
C5H12+7O25CO2+6H2O
 Ezon  Mzon108 Ws
 21038/41026  15.000 jaar
Stel: zwaartekracht
 Ezon  GM2zon/Rzon  41040 Ws
 41040/41026  30.000.000 jaar
Hoe komt die zon aan zijn energie?
2
Inleiding deeltjes fysica
•
•
•
•
Deeltjes & krachten
Experimentele deeltjes fysica
De “highlights”: historisch perspectief
De “hot issues”: toekomst perspectief
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Hoe zit het in elkaar?
De elementaire deeltjes
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
me = 0.9210-30 kg
elektron
e
qelektron = 1
mp = 1.710-27 kg
proton
p
u
u
d
qproton = 1 = 2x(2/3)  1x(1/3)
neutron
mn = 1.710-27 kg
n
d
u
d
qneutron = 0 = 1x(2/3)  2x(1/3)
5
Periodiek systeem: atomen
D.I. Mendelejev
(1834-1907)
N. Bohr
(1885-1962)
E. Rutherford
(1871-1937)
http://chemistry.about.com/gi/dynamic/offsite.htm?site=http%3A%2F%2Fwww.colorado.edu%2Fphysics%2F2000%2Fapplets%2Fa2.html
6
Elementair, energie & massa
Elementair:
Wanneer heet een deeltje elementair?
Antwoord: tot het moment waarop het aantoonbare
sub-struktuur heeft d.w.z. bestaat uit iets anders!
Energie:
Kinetische energie auto: 1000 kg en v=180 km/uur?
Antwoord: ½mv2 = 1.25106 J = 1.25 MJ
Verbrandings energie 1 liter benzine?
Antwoord:  108 J = 100 MJ ( 80 van 0180 km/uur)
Energie winst elektron na 1 Volt spannings verschil?
Antwoord: 1 eV = 1.61019 J
Massa:
A. Einstein
(1879-1955)
E=mc2
Einstein heeft relatie gevonden tussen massa & energie:
Welke energie correpondeert met een 0.9210-30 kg zwaar elektron?
Antwoord: 0.9210-30kg  (3108m/s)2 eV  0.511106 eV = 0.511 MeV
1.61019 J
7
Familie portret elementaire deeltjes
(1 MeV 1.810-30 kg)
m
[MeV]
e
I
0.511 e
3 u u u
6 d d d
0
Rood
Geel
Blauw
m
m
[MeV]
q 00 
q 106
 e
II
c c c
s s s
2
q1250
 3e
1
120
q  3e
[MeV]
0
1777
174300
4200

III

t t t
b b b
8
e+ ontdekking
(1932)
1930: P.A.M. Dirac voorspelt anti-materie
1932: C.D. Anderson ontdekt e+
P.A.M. Dirac
C.D. Anderson
(1902-1982)
(1905-1991)
loden plaat
bellenvat
Waarom is dit een e+ spoor?
9
Familie portret elementaire anti-deeltjes
Recept:
 lading q  q
 kleur  anti-kleur
 rest (massa, spin, …) blijft onveranderd
e
e
I
u u u
d d d


II
c c c
s s s


III
t t t
b b b
10
Hoe werkt het?
De fundamentele krachten
Gravitation
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Quantum mechanisch
http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/schroedinger.html
W. Heisenberg
(1901-1976)
E. Schrödinger
(1898-1961)
kracht deeltje: foton
m=0 MeV

12
Sterke kernkracht
stabiliteit?
nieuwe kracht:
 sterke kernkracht
kracht deeltjes: gluonen
mg=0 MeV
g
13
Zwakke kernkracht
sommige kernen zijn wel instabiel!
http://www.colorado.edu/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html
nieuwe kracht:
 zwakke kernkracht
kracht deeltjes: W, Z0
mW  80 GeV mZ  91 GeV
W, Z0
14
Krachten
15
16
Experimentele deeltjes fysica
1. Hoe detecteer je deeltjes?
2. Hoe maak je elementaire deeltjes?
3. Wat meten we?
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Hoe detecteer je deeltjes?
Ionisatie proces
• Energie meting
• Spoor meting
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Energie verlies geladen deeltjes

kernen
elektronen
e
e
e
e
e
© Els Koffeman
Gevolgen: 1. geladen deeltje verliest energie
2. detector materie geëxciteerd 19
Voorbeelden detectie materialen


ionisatie
gas gevulde detectoren
(b.v. Ar-CO2)
half geleider detectoren
(b.v. Si, Ga, Ge en diamant)
electron-gat
paren

excitatie
scintillatie & fluorescentie
(b.v. plastics, kristallen)
20
Impuls meting
signaal
Principe:
10 cm
• afbuiging spoor in B-veld
• reconstrueer spoor
• fit kromtestraal  impuls P
0 ns
500 ns
P/P2%
tijd
21
22
Hoe maak je elementaire deeltjes?
In:
• de cosmos
• kern reakties
• botsingsmachines
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
I. Gratis: vanuit de ruimte
24
II. Kern reacties:
 op aarde: kernsplitsing
 in de zon: kernfusie
http://library.thinkquest.org/17940/texts/fission/fission.html
235
92
U  n  Kr 
142
Ba  2n

H  H  D  e  e
25
III. Botsingsmachines
26
Wat meten we?
1. Verval van deeltjes (levensduur)
2. Verstrooiing van deeltjes
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Verval (muon)
Situatie:
op tijdstip t=0: N(t=0)N0 deeltjes
# dat vervalt tussen t en t+t  N(t)
Opgaven:
N(t) = N0et
1. Vind N(t)
2. Bereken de levensduur 
<t> 

N(t=0) = N0
N(t)  N(t)t

tN0etdt = 1/  

  e   e
28
Neutrino’s: spook deeltjes


  e   e


Feynman
diagram
W
e
-verval
e
e

-verval



  
R.P. Feynman
(1918-1988)
29
-verval: de meting


  e   e
m/2
53 MeV
Elektron energie
Muon levensduur
30
Verstrooiing (4He+Au 4He+Au)
4He
Au

4He
31
Hoe werkt de zon?
• Het kernfusie proces
• Neutrino’s
• Metingen v/d neutrino flux!
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Zo werkt de zon dus niet!
Energie flux: op aarde:  1400 W/m2
Dus zon straalt uit: 4L21400  41026 W
Stel: benzine bom:
C5H12+7O25CO2+6H2O
 Ezon  Mzon108 Ws
 21038/41026  15.000 jaar
Stel: zwaartekracht
 Ezon  GM2zon/Rzon  41040 Ws
 41040/41026  30.000.000 jaar
?Zon is ongeveer 4.500.000.000 jaar oud!
33
Einstein: E=mc2
Stel, massa  energie:
uit
 Ezon  Mzonc2  21047 Ws
 21047/41026 > 1000.000.000.000 jaar
aan
M  0.029mp  0.028 MeV
Realiteit:
H
H
kernfusie
H
H
M=4mH4.032
p
n
n
p
M=mHe4.003
 1% efficiëntie; 10 miljard jaar!
34
4 p  4He  2e  2 e  ~ 25 MeV
1400 W/m2  91017 eV/s/cm2
e

91017 eV/s/ cm2
ν e  70 miljard ν e s/ cm2
 2
25 MeV
e
foton
H
n
p
1H
n
+ 1H  2H + ee+
p
H
+ 1H  2H + ee+

3He
+
u
H
1H
+
2H
d
1H
p
H
p
n
n
p
d
H
H
H
d
3He
+ 3He  4He + 21H
u
H
foton
http://www.astronomynotes.com/starsun/s3.htm
35
e
e
Neutrino’s van de zon
4 p  4He  2e  2 e  ~ 25 MeV
106 jaar
8 min
e

36
Aantal neutrino interacties
# e/dag:
(65109)  (360024)  (20002)  71022 e/dag
e /s/cm2
sec/dag
cm2
# e/cm2 die e’s “zien”:
40 m
(4/0.018)  (61023)  18  2.41027 e/cm2
Mol H2O
Avogadro e/H2O
Natuurkunde: kans op ee  ee interactie!
40 m
(2.41027)  (71022)  1043  200 interacties/dag
e/cm2
e/dag
kans cm2
Efficiëntie v/d detektor: varieert tussen de 0.01% en de 100%37
Homestake
e + 37Cl  e + 37Ar
e +
p
e +
n
Methode:
• tank: 615 ton schoonmaak middel
• typisch 1 37Cl  37Ar per dag
• 37Ar isoleer je chemisch
• tel radio-actieve 37Ar vervallen
38
SuperKamiokande
e + e  e + e
e + e
e + e

(zon,e)
e
39
Sudbury Neutrino
Observatory
40
41
Het goede nieuws:
Er komen neutrino’s v/d zon!
Het slechte nieuws:
Er zijn er te weinig!
Verklaring (2001!):
Onderweg veranderen elektron neutrino’s van identiteit
d.w.z. bijvoorbeeld e !
42