Cursus deeltjesfysica
advertisement
Cursus deeltjesfysica Bijeenkomst 4 (17 april 2014) Deeltjes in de cosmos prof Stan Bentvelsen en prof Jo van den Brand Nikhef -­‐ Science Park 105 -­‐ 1098 XG Amsterdam [email protected] -­‐ [email protected] ITS academy -­‐ 5 maart 2014 -­‐ Speciale relativiteitstheorie 1 keerpunten 4 1. Compton golflengte 3 •De Broglie golflengte voor een materiedeeltje – massa m, energie E=mc2 ! ! – Onderscheid tussen deeltjes-­‐ en golf karakter •Compton golflengte voor deeltje = h/mc ! – Fundamentele limiet op meten precisie van positie deeltje. – Stel grotere nauwkeurigheid om deeltje te meten •dan wordt onzekerheid in impuls groot genoeg om extra deeltje te maken! Nog nauwkeuriger positie maakt alleen maar nieuwe deeltjes 2 2 4 2 2 E =m c +p c p = mc ‘kinetische’ energie gelijk aan creatie nieuwe m x 1 4 h mc De Planckschaal “Punt”deeltje met massa m Quantum mechanica Relativiteitstheorie Compton golflengte h LC = mc Plankmassa: = Schwarzschild straal 2Gm RS = 2 c , mP L = hc 2G LP L = 2hG c3 Enige opmerkingen •Schwartzschild straal 2Gm 2G RS = 2 = 2 m = 1.48 · 10 27 [m/kg]m[kg] c c = 2.95[km/zonmassa]m[zonmassa] 5 Planck schalen 6 •MPL: kwantummechanica en zwaartekracht samen – voor elementaire deeltjes de effecten van zwaartekracht niet meer negeren – voor zwaartekracht de kwantum effecten van elementaire deeltjes niet meer negeren •Planck grootheden – massa ! – lengte kleinst mogelijke zinvolle afstand ! – tijd ! kleinst mogelijke zinvolle tijd – temperatuur temperatuur waarbij zwarte gaten verdampen -­‐ begin Big Bang 1.4 · 1034 K Fermionen: elementaire spelers 7 Waarom 3 families? Zijn er meer? 1e familie 2e familie 3e familie 2/3 2/3 -1/3 -1/3 0 0 -1 -1 Quarks Leptonen Fundamentele krachten Standaard Model van elementaire deeltjes 8 Fundamentele krachten Quantum velden theorie Photon (m=0) W-­‐ & Z boson (m=80, 91 GeV) Gluon (m=0) Glashow -­‐ Weinberg -­‐ Salam Electro Weak theory (1967) Quantum Electro Dynamics Standaard Model van elementaire deeltjes Quantum Chromo Dynamics 9 Voorbij het Standaard Model? •De LHC betreedt nieuwe energie domein van botsingen ! •Niemand wist wat de LHC zou ontdekken – speculaties van theoretici – inmiddels Higgs deeltje ontdekt ! •Het doel is om structuur der materie op ‘kleinste afstanden’ te onderzoeken – kleiner dan 10-­‐19 m; op zoek naar nieuwe fenomenen 10 2. Ontdekking Higgs deeltje •Vinden van Higgs deeltje fundamenteel nieuw begrip van de natuur -­‐ met name het vacuum ! ! ! ! ! ! ! ! – Ontdekking van Higgs deeltje is niet zomaar een nieuw deeltje -­‐ het laat een heel nieuw mechanisme zien 11 Nobel prijs 2013: Higgs en Englert "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider" 12 Quantumfluctuaties 13 •Higgs veld geeft massa – De massa van W,Z deeltjes worden veroorzaakt door het Higgs veld ! ! Hiermee is de ! theorie niet “klaar” ! ! •Theorie kan niet verklaren: – Waarom is MH << MPlanck MH = 126 GeV/c2 Higgs massa -­‐ hiërarchie probleem 14 •Kwantum fluctuaties – de massa van het Higgs deeltje wordt aangepast! – fluctuaties kunnen zo groot worden als MPlanck ! – Higgs massa mH: ! m2H ! m20 + cMP2 •mH: massa zoals je meet bij LHC •m0: echte theoretische massa (onmeetbaar!) •cMP: kwantum fluctuaties ! •Onopgeloste vraag: – mH ongeveer 102 GeV – MP ongeveer 1019 GeV – Je moet m0 in theorie ‘stoppen’ met grote nauwkeurigheid! Waarom is MH ≪ MPlanck? – Kan worden geregeld in theorie -­‐ maar niet makkelijk! •Door nauwkeurig ‘afstemmen’ van een parameter uit het model. ! ! ! ! ! •Hoe nauwkeurig? – met 34 cijfers nauwkeurig! – alsof je de tip van een potloot, zo groot als het zonnestelsel, plaatst met nauwkeurigheid van 0.1 mm 15 Waarom is MH ≪ MPlanck? •De observatie dat MH ≪ MPlanck heeft een verklaring nodig ! ! ! ! ! •Mogelijkheid: – bij grote energie komen nieuwe krachten en deeltjes in het spel -­‐ nieuwe symmetrie? -­‐ die een (dynamische) verklaring geven •Pure speculatie! – leidt tot fantastische nieuwe concepten 16 Supersymmetrie en ‘extra’ deeltjes •Fundamenteel verband tussen: – materiedeeltjes – krachtdeeltjes •Postuleer het bestaan van ‘extra’ nieuwe deeltjes – Zodanig dat een ‘supersymmetrische’ transformatie bestaat die materie en krachtdeeltjes in elkaar laten overgaan. •Supersymmetrie geeft ‘verklaring’ voor MH ≪ MPlanck – Postuleren van nieuwe symmetrie leidt tot voorspelling van nieuwe deeltjes. – De LHC is op zoek naar deze nieuwe vormen van materie. 17 Supersymmetrische deeltjes 18 veel nieuwe deeltjes “supersymmetrie” verbindt de eigenschappen Er is er nog geen één ontdekt! kosmische verbinding 19 •De verbinding tussen de quantumwereld en de kosmologie is een van de meest fascinerende van moderne natuurkunde kosmologie quantumwereld kosmische achtergrond 3. De kosmos 20 •Heelal opgebouwd uit – sterren – sterrenstelsels – clusters van sterrenstelsels •dieper in heelal ‘kijken’ betekent verder naar verleden •Kosmisch principe – Heelal is isotroop en homogeen •ziet hetzelfde uit in alle richtingen noord zuid Het uitdijend heelal Hubblewet: v = H d Hubble constante = = 50-­‐100 km /sec.Mpc Levensduur van het heelal: t = d/v = 1/H = 15 miljard jaar 21 Evolutie van het heelal 22 Algemene relativiteitstheorie 23 •Einstein’s wetten van de algemene relativiteitstheorie toegepast op gehele kosmos – voorspelling: heelal is dynamisch -­‐ maar hoe is evolutie? Uitdijing van het universum •Scenarios for the expansion of the universe: •the bottom orange curve represents a closed, high density universe which expands for several billion years, then ultimately turns around and collapses under its own weight. •The green curve represents a flat, critical density universe in which the expansion rate continually slows down (the curves becomes ever more horizontal). •The blue curve shows an open, low density universe whose expansion is also slowing down, but not as much as the previous two because the pull of gravity is not as strong. •The top (red) curve shows a universe in which a large fraction of the matter is in a form dubbed "dark energy" which is causing the expansion of the universe to speed up (accelerate). There is growing evidence that our universe is following the red curve. 24 Raadselen van de kosmos Rotational Curves 25 Galaxy Clusters Anisotropy in CMB Weak Lensing Large Scale Structure I-­‐ Rotatie curve sterrenstelsels 26 •Rotatie curves van sterrenstelsels – te snelle rotatie in vergelijk met zichtbare massa ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! •Is Newton (of ART) onjuist of is er een grote hoeveelheid ‘donkere materie’ om sterrenstelsel heen? II-­‐ Heelal als zwarte straler (1964) 27 •Observatie van een onverwachts hoog ruisgedrag in een radio ontvanger! – Onderzochten zelfs de bijdrage van duivenpoep om tenslotte te concluderen dat de “ruis” veroorzaakt werd door straling uit het Universum! •Nagloei effect v/d Oerknal! Penzias (1932-) Wilson (1936-) De straling correspondeert met 2.7 Kelvin en is zeer homogeen in elke richting duivenval II-­‐ Heelal als zwarte straler 28 De straling correspondeert met 2.7 Kelvin en is homogeen in elke richting T ≈ 2.725 K ≈ −270.5 oC •COBE satelliet (2004) – Kleine afwijkingen van de homogeniteit – Grote invloed op begrip van vroege heelal •Nobel prijs in 2004 John C. Mather, George F. Smoot NRC HANDELSBLAD Woensdag 12 februari 2003 II-­‐ Anisotropie in de CMB •Minuscule afwijkingen van de gemiddelde temperatuur 29 II-­‐ Anisotropie in de CMB 30 •Analyse van de ‘correlaties’ tussen de fluctuaties – analyse van specifieke ‘grootten’ van de fluctuaties in l: ‘gevoelig’ voor hoeveelheid materie in universum III-­‐ botsende sterrenstelsels •Mbt ‘gravitational lenzing’ kan sterkte zwaartekracht worden bepaald ! ! ! ! ! ! ! ! ! •“botsing’ van twee sterrenstelsels – blauw: zwaartekracht – rood: gas van galaxies •Er moet meer massa zijn dan wat zichtbaar is 31 Is er meer dan het Standaard Model alleen? “dark stuff” 96% ‘Standaard Model’ deeltjes: quarks en leptonen Enorme hoeveelheid ‘exotische materie’ in heelal Laat deze materie zich kennen in de LHC? Higgs, Majorana en de Kosmos -­‐ 27 oktober 2012 -­‐ Museum Boerhaave Leiden Welke deeltjes corresponderen met donkere materie? Rotational Curves Weak Lensing Galaxy Clusters Large Scale Structure Anisotropy in CMB We zien slechts een kleine fractie van alle aanwezige materie in ons universum 33/9 Nieuwe elementaire deeltjes? Elementaire deeltjes u c t ɣ d s b g ν ν ν Z e μ τ W Astronomische schaal H Standaard Model lijkt niet compleet. Sypersymmetrie oid Bestaan donkere materie? Voorspelling bestaan nieuwe elementaire deeltljes “WIMP miracle”: Produceren precies goede eigenschappen voor donkere materie Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) 34 Speurtocht naar WIMPs 35 Zoeken bij de LHC... 36 Zoeken naar WIMPs uit ruimte 2.5 ton of LXe XENON1T 37/9 Alternatief voor zwaartekracht 38 •Modified Newtonian Dynamics (MOND) –aanpassen van de wetten van Newton •Zwaartekracht als informatie dichtheid? – Theorie van Erik Verlinde (2009) •Zwaartekracht niet langer een fundamentele kracht maar het resultaat van een diepere microscopische realiteit op kwantummechanisch niveau. – vergelijk met de luchtdruk: de moleculen waaruit het gas bestaat kennen zelf geen luchtdruk, dit is louter een eigenschap van het gas. •Analogie voor de zwaartekracht: – de kracht die schepen naar elkaar toe drijft die dicht bij elkaar in het water liggen. Dat effect ontstaat doordat er netto meer golven om de schepen heen aanwezig zijn dan ertussen. Tussen de beide schepen passen n.l. geen golven met een langere golflengte dan de afstand tussen de beide schepen. vdWaals
