Document

Materie, anti-materie en donkere materie
Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur
Niels Tuning (Nikhef)
Zoektocht naar de elementaire
bouwstenen van de Natuur
Machten van tien …
Heelal
1026 m
Mens
100 m
Melkweg
1021 m
Atoom
10-10 m
Zonnestelsel
1013 m
Kern
10-15 m
Aarde
107 m
Botsingen
10-18 m
Reis naar het allerkleinste…
Machten van tien …
Heelal
1026 m
Mens
100 m
Melkweg
1021 m
Atoom
10-10 m
Zonnestelsel
1013 m
Kern
10-15 m
Aarde
107 m
Botsingen
10-18 m
Astronomie
Deeltjes fysica
Elementaire deeltjes fysica
Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden:
 Wat zijn de bouwstenen van de materie ?
 Welke krachten werken op deze bouwstenen ?
400 v.Chr.
Demokritos
atoom
1687
Newton
krachten
1864
Maxwell
electromagnetisme
1905
Einstein
van alles…
Zoektocht naar de elementaire
bouwstenen van de Natuur
Waar bestaat het heelal uit?
Waar bestaat het heelal uit?
Waar bestaat het heelal uit?
0% ANTI
MATTER
Slechts 4% is normale materie…
Wat snappen we niet?
Wat is de
donkere materie ?
0% ANTI
MATTER
Waar is de
anti materie ?
Wat snappen we al helemaal niet??
0% ANTI
MATTER
Donkere energie??
Donkere energie…
0% ANTI
MATTER
Zorgt dat het heelal versneld uitdijt!
“the biggest
blunder I ever
made in my life”
kosmologische
constante van
Einstein
(en dus voor altijd?!)
Pas 10 jaar bekend!
 1998: supernova’s verder weg dan hun ouderdom (helderheid) doet vermoeden
 2003: achtergrondstraling: samenspel van materie en donkere energie bepaalt klontering van heelal
Het menu komende half uur:
II. Wat is de
donkere materie ?
I. Waar is de
anti materie ?
0% ANTI
MATTER
Materie
I. Anti-materie
II. Donkere materie
(snappen we)
(snappen we, maar is weg??)
(hebben we ideeen over…)
De stand van zaken in november 2010
http:// pdg.lbl.gov
De elementaire deeltjes
up
down
up
up
Proton
down
elektron
up
down
down
Neutron
Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen?
periodiek systeem
van Mendeleev
Alles!
Ook Middelburg
De elementaire deeltjes
leptons
quarks
Niet één serie, maar drie!
I
II
III
Lading
u
c
t
+2/3 e
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
-1 e
0e
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
(2000)
Materie
-1/3 e
Is dit alles?
leptons
quarks
Generatie:
I
II
III
Lading
u
c
t
+2/3 e
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
-1 e
0e
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
-1/3 e
(2000)
Materie
•Fundamentele deeltjes en deeltjesversnellers
Anti-materie
Revoluties begin vorige eeuw:
– Relativiteitstheorie
– Quantum Mechanica
Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie!
Voor elk materiedeeltje bestaat
een anti-materiedeeltje !
(iγμ∂μ-m)ψ=0
Anti-materie deeltje:
• Zelfde massa
• Tegenovergestelde lading
leptons
quarks
De elementaire deeltjes
I
II
III
Lading
u
c
t
+2/3 e
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
-1 e
0e
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
(2000)
Materie
-1/3 e
leptons
quarks
De elementaire deeltjes
I
II
III
Lading
Lading
I
II
III
u
c
t
+2/3 e
-2/3 e
u
c
t
-1/3 e
+1/3 e
d
s
b
-1 e
+1 e
e
m
t
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
(2000)
Materie
(1932)
0e
0e
ne
nm nt
Anti-materie
Hoe maak je anti-materie??
Albert Einstein:
E=mc2
materie + antimaterie = licht !
(en vice versa)
e+
ee+ e-
Anti-materie in ziekenhuizen:
de PET-scan
+

ee

Wat snappen we nog niet:
Wat snappen we nog niet?
II. Wat is de
donkere materie ?
I. Waar is de
anti materie ?
0% ANTI
MATTER
Materie
I. Anti-materie
II. Donkere materie
(snappen we)
(snappen we, maar is weg??)
(hebben we ideeen over…)
I. “Anti-materie”
Waar is de anti-materie gebleven?
Geen anti-materie
met satellieten
Geen anti-materie
sterrenstelsels
II. “Donkere materie”
Temperatuurfluctuaties
structuur van het heelal
Rotatie-curves
Gravitationele lens
Wat is de
donkere materie ?
We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd!
II. “Donkere materie”
Temperatuurfluctuaties
structuur van het heelal
400,000 jaar na oeknal werd heelal doorzichtig
De “klontering” zegt iets over zwaartekracht en dus over massa
Oudste foto: 380.000 jaar na de Big Bang
II. “Donkere materie”
Rotatie-curves
Snelheid (km/s)
Rotatie-snelheid sterren
data
R-0.5
Afstand tot centrum stelsel (kpc)
II. “Donkere materie”
Botsende melkwegstelsels
Gravitationele lens
Normale materie is “afgeremd”:
te zien met X-rays
Donkere materie is “doorgeschoten”: te zien met gravit. lens
Wat snappen we niet?
Anti-materie??
(waar is het gebleven)
Donkere materie??
(wat klonterde de sterrenstelsels)
Astronomie
Deeltjes fysica
Kijken zonder je ogen te gebruiken
Botsingen van Deeltjes
•Niels Tuning Open Dag 2008
I. Hoe onderzoeken we anti-materie:
Detector
I. Hoe onderzoeken we anti-materie
materie ↔ anti-materie
b
s
s
b
II. Hoe ontdek je donkere materie:
Detector
II. Hoe ontdek je donkere materie?
quark
quark
Simulatie top quark productie
quark
proton
elektron
proton
neutrino
quark
II. Hoe ontdek je donkere materie?
Maak nieuwe deeltjes met energie!
Nieuw ?
Normaal
muon
muon
E=mc2
?
geen
balans
Einde
Wat is de
donkere materie ?
Waar is de
anti materie ?
0% ANTI
MATTER
1) Materie
2) Anti-materie
3) Donkere materie
(snappen we)
(snappen we, maar is weg??)
(hebben we ideeen over…)
EINDE
Backup slides
Wat is het nut van dit onderzoek?
Fundamenteel onderzoek
– Kan leiden tot verrassingen,
• Soms zelfs nuttig…
• Maar per definitie van te voren onbekend
“Oneindig veel toegepast onderzoek aan de
kaars zou ons nooit het electrische licht
hebben gebracht.”
Wat is het nut van dit onderzoek?
Fundamenteel onderzoek
– Kan leiden tot verrassingen,
• Soms zelfs nuttig…
• Maar per definitie van te voren onbekend
1947
“Quantum mechanica en
begrip van atomen cruciaal
voor transitors.”
2009
Wat is het nut van dit onderzoek?
Fundamenteel onderzoek
– Kan leiden tot verrassingen,
• Soms zelfs nuttig…
• Maar per definitie van te voren onbekend
“Zonder relativiteitstheorie zit de GPS er
10km/dag naast!”
Wat is het nut van dit onderzoek?
Fundamenteel onderzoek
– Heeft nuttige bij-effecten
• Medische toepassingen
• Internet
• Opleiden van onderzoekers voor de maatschappij
(Philips, ASML, etc, etc)
PET scan
www
Wat is het nut van dit onderzoek?
Veel mensen zijn gewoonweg nieuwsgierig
Hoort bij de mens
– wat is het nut van kunst? religie?
Wat is het nut van dit onderzoek?
Duur?? Mwah.
– Totale kosten:
6 miljard
– Kosten voor NL: 50 miljoen / jaar
– Ter vergelijk, zie begroting Ministerie v. OCW:
Cern
31 miljoen
ESA
32 miljoen
Genomics
36 miljoen
Kon. Bibliotheek
45 miljoen
TNO
192 miljoen
Stichting AAP
10 miljoen
Monumentenzorg
70 miljoen
Film
20 miljoen
Archeologie
10 miljoen
(Topsport: 28 miljoen)
Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie”
Versnellers
Meetapparatuur
Kennis van deeltjes
1954: 1ste patient
1997: 22.000 patienten
Nu: 51.000 patienten
Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie”
Before treatment
6 Weeks after carbon
treatment with a dose of 60 Gye
D.Schulz-Ertner et al.
Carbon en Proton Therapie in Europa
HIT – Heidelberg Ion beam Therapy
operational
protons
under construction
protons and ions
planned
Voorbeeld van
spin-off: www
1989: Tim Berners Lee proposed
“html” and “WorldWideWeb”
1992: 1ste website in NL:
http://nic.nikhef.nl
1993 : www in the public domain
Wat verwacht je ?
Al 30 jaar bestaan er precieze
wiskundige voorspellingen!
Meten van complexe getallen!
We meten quark koppelingen
Er is een complexe phase in de koppelingen
eiφ
e-iφ
matter
Meetbaar als er
anti-matter
Γ( B f) = |A1+A2ei(φ+δ)|2
Γ(Bf) = |A1+A2ei(-φ+δ)|2
Bewijs van bestaan van complexe getallen…
2 amplitudes een rol spelen:
Verschil materie, anti-materie: Nobelprijs 2008
Nobelprijs voor Kobayashi & Maskawa
• KM voorspelden in 1972 de 3de generatie
quarks om kleine verschillen in materie en antimaterie te verklaren
“Box” diagram: ΔB=2
b
s
s
b
“Penguin” diagram: ΔB=1
b
s
μ
μ
Toshihide Maskawa
Makoto Kobayashi
Wat snappen we niet?
Anti-materie??
(waar is het gebleven)
Donkere materie??
(wat klonterde de sterrenstelsels)