Elementaire deeltjes

Welkom • • • • • • • • • • •
10:15 - 11:00 Deeltjes fysica I
11:15 – 12:00 Rondleiding
12:15 – 13:00 Deeltjes fysica II
• • • • • • • • • • • • Lunch • • • • • • • • • • •
14:00 – 14:45 De zon
15:00 – 15:45 De cosmos
• • • • • • • • • • Afsluiting • • • • • • • • • •
••••••••••
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
De zon als laboratorium
voor deeltjes fysica
•
•
•
•
Inleiding deeltjes fysica I
Inleiding deeltjes fysica II
Hoe werkt de zon?
Deeltjes uit de cosmos (AH)
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?
3
Inleiding deeltjes fysica
•
•
•
•
Deeltjes & krachten
Experimentele deeltjes fysica
De “highlights”: historisch perspectief
De “hot issues”: toekomst perspectief
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Deeltjes & krachten
1. Hoe zit het in elkaar?
2. Hoe werkt het?
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)
7
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
8
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
9
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
10
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
11
Hoe werkt het?
De fundamentele krachten
Gravitation
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Elektrische kracht
E
Q
kracht
E-veld
13
Magnetische kracht
I
B
kracht
B-veld
14
Elektro-Magnetische wisselwerking  licht!
J.C. Maxwell
(1831-1879)
W.C. Röntgen
(1845-1923)
H. Hertz
(1857-1894)
Experimentele toepassingen!
G. Marconi
(1874-1937)
15
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

16
Veel fotonen?
Frekwentie: 1000 MHz  E=h71024 J
Vermogen: 1 W
 N=10+23/s
Golflengte: 500 nm  E=h41019 J
Vermogen: 50 W
 N=10+20/s
Foton tellers:
• photomultiplier
• photodiode
17
Sterke kernkracht
stabiliteit?
nieuwe kracht:
 sterke kernkracht
kracht deeltjes: gluonen
mg=0 MeV
g
18
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
19
Sterke & zwakke kernkracht
nuclear weapons ( 1945)
nuclear power ( 1942)
nuclear medicine ( 19??)
food preservation ( 19??)
Radio-chemical dating, mining, fire detectors, cancer treatment, ………
20
Krachten
21
22
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 25
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)
26
Energie meting
e
Principe:
• energie verlies in materie
• stop deeltje volledig
• energie (E)  meetbaar signaal
(ionisatie, licht, …)
5 cm
e

e

E/E1%
27
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
28
29
ee  Z0  ??
Gebeurtenissen analyseren
30
Hoe maak je elementaire deeltjes?
In:
• de cosmos
• kern reakties
• botsingsmachines
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
I. Gratis: vanuit de ruimte
32
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
33
III. Botsingsmachines
34
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
36
Neutrino’s: spook deeltjes


  e   e


Feynman
diagram
W
e
-verval
e
e

-verval



  
R.P. Feynman
(1918-1988)
37
-verval: de meting


  e   e
m/2
53 MeV
Elektron energie
Muon levensduur
38
Verstrooiing (4He+Au 4He+Au)
4He
Au

4He
39
De “Highlights”:
historisch perspectief
1.
2.
3.
4.
anti-materie: e+ ontdekking
 ontdekking: een nieuw quark
de W en de Z0 deeltjes
(het 6e quark: top)
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
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?
41
 ontdekking:
een nieuw quark!
0p
e+e
000, 0
 0

s
s
s
(1963)
42
Deeltjes opgebouwd uit quarks



Twee typen:
1. quark+anti-quark
2. quark+quark+quark
Opgave:



0


1232 MeV



1385 MeV

1. Hoeveel combinaties met
de drie quarks u,d,s te maken?
2. Rangschik ze naar # s-quarks
3. Veronderstel:
a. mumd
b. massa’s combinaties met
0, 1 en 2 s-quarks gegeven




0
1533 MeV
1680 MeV (dit is de )
?
Wat is de voorspelde massa van de sss combinatie?
43
1e observaties W boson (1983)
pp  WX
W  ee
44
eeZ0ee
eeZ0
eeZ0
eeZ0qq
45
(1989-2000)
Hoe gevoelig is LEP? Heel gevoelig!
stand v/d maan:




deformeert aarde
 LEP omtrek
 LEP Ebundel
 10 MeV
TGV:





elektrische stroom
 stroom in LEP
 LEP magneetveld
 LEP Ebundel
few MeV
46
De “hot issues”:
toekomst perspectief
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
willekeur deeltjes massa’s
(hebben neutrino’s massa?)
(materie  anti-materie)
“big-bang” neutrino’s
(de zwaartekracht?)
(3 families?)
(quantisatie van de lading?)
...
F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002
Wanted: Higgs, het massa deeltje


ppXH
HZZ
Zee, , 


Reward: Nobelprijs natuurkunde
48
Wanted: oerknal
neutrino’s
2.7 K
fotons


?
100
e
1.9 K
neutrino’s?
1 cm3
1 cm
Reward: Nobelprijs
natuurkunde
49
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!
51
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!
52
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
53
e
e
Neutrino
detectie: W
Typisch:
 “lab” systeem
 veel materiaal
 “tel” experiment
geladen (W)
stroom gebeurtenis

W+
d

u
54
Neutrino
detectie: Z0


Z0
neutrale (Z0)
stroom gebeurtenis
e
e
e

55
Neutrino’s van de zon
4 p  4He  2e  2 e  ~ 25 MeV
106 jaar
8 min
e

56
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%57
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
58
SuperKamiokande
e + e  e + e
e + e
e + e

(zon,e)
e
59
Sudbury Neutrino
Observatory
60
61
Het goede nieuws:
Er komen neutrino’s v/d zon!
Het slechte nieuws:
Er zijn er te weinig!
Verklaring:
Onderweg veranderen elektron neutrino’s van identiteit
d.w.z. bijvoorbeeld e !
62
En het allerleukste
van dit alles?
Er zelf aan mee
onderzoeken!
63