Sporen van deeltjes

Sporen van deeltjes
Een deels bestaande PowerPointpresentatie voor de cursus in de aandacht gebracht cq bewerkt door:
E.J. Klesser, K. Akrikez, F. de Wit, F. Bergisch, J. v. Reisen
Het onderzoek naar elementaire deeltjes
Een introductie
Elementaire deeltjes: wij denken dat ze niet uit nog kleinere eenheden zijn opgebouwd. Wij kennen moleculen en atomen:
Moleculen opgebouwd uit atomen 
chemische binding
Atomen geen massieve knikkers, maar een interne structuur  kern + elektronenwolk
Chemische eigenschappen worden bepaald door de structuur van elektronenwolk (denk aan het schillenmodel)
Atoomkern is opgebouwd uit protonen en neutronen
Zit er ook een bepaalde structuur in een kern? Waarom blijven die p’s en n’s bij elkaar?
Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit nog kleinere elementen: uitdaging!
Hoe kan je zulke kleine deeltjes onderzoeken? Wat kan je zien? Er zijn hulpmiddelen nodig om deze zaken zichtbaar te maken: een van de bekendste is het Wilsonvat bij het practicum ioniserende straling.
Wilsonvat: er ontstaat een condensatie‐spoor waardoor de baan van de ioniserende straling zichtbaar wordt. Laat de straling door een elektrisch of een magnetisch veld beïnvloed worden en er blijken drie soorten straling uit de kern te kunnen ontsnappen (α, β, en γ).
De lading bepaalt de richtingsafwijking die de stralen krijgen.
Straling komt niet alleen van radioactieve stoffen, ook uit de ruimte (kosmos). Niet alleen α, β en γ. Een heel nieuw onderzoeksgebied gaat open: de elementaire deeltjesfysica
NEVELKAMER, WILSON (1912)
Onderkoelde alcohol gebruikt
ionisatie sporen als condensatie
kernen ! Dit levert de strepen
op…
Bekijk het filmpje 
De ontdekking van antimaterie
23 MeV/c
Anderson (1932) ontdekte het door
Dirac voorspelde positron
Najaar 2007
C. Anderson
1936
6 mm lead
B = 1.5 T
10
Nieuwe detectiemethoden zijn nodig. Van kleine prototypes naar oversized apparaten.
Een positief elektron wordt ontdekt. Zijn er nog meer? Zit er een bepaalde opbouw in?
Meer onderzoek, nog grotere opstellingen.
Veel ingewikkelder sporen: er zijn veel meer deeltjes. Bellenvat, Glaser (1952)
1960
Deeltjessporen 6 ‐ Botsingen Deeltjessporen 5 ‐ Bellenvat Botsingsexperimenten laten zien dat protonen en neutronen inderdaad een interne structuur hebben.
Computeranalyse helpt het handwerk. Protonen en neutronen zijn o.a. opgebouwd uit quarks.
QUARKS?
In een plaatje:
Deeltjesfysica…
…klein‐kleiner‐kleinst…
ondeelbaar
ondeelbaar
Elementaire bouwstenen Koolstof: 18 u
18 d
6 e‐
Proton: u + u + d quark
Neutron: u + d + d quark
2/3
Quarks
-1/3
Leptonen
0
‐1
Einstein: Massa en energie zijn gelijkwaardig Massa kan in energie veranderen en energie in massa
Onderzoek leert dat er wel aan een paar voorwaarden moet worden voldaan (de zg
behoudswetten)
2
E=mc
Bundeling van energie kan
overgaan in materie
e+e
Albert Einstein
In het Bellenvat zijn deze sporen terug
te vinden:
Botsingsexperiment
sinaasappel
anti-sinaasappel
creatie
Botsing materie en anti‐materie geeft louter energie
die wordt omgezet in nieuwe materie Botsingsexperiment
banaan
anti-banaan
creatie
Botsing materie en anti‐materie geeft louter energie
die wordt omgezet in nieuwe materie Nog meer bouwstenen 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
Deeltjes bouwen met 3 (Baryonen) of 2 (Mesonen) quarks: Behoudswetten:
1. Behoud van impuls.
2. Behoud van lading.
3. Behoud van quarkgetal.
4. Behoud van leptongetal.
De kleurlading moet ‘wit’ zijn.
R
G
B
G
R
B
De botsingsexperimenten worden gedaan met grote versnellers waardoor de deeltjes een enorme energie hebben als ze tegen elkaar aan botsen
Er ontstaat een “tussentoestand” die ook wel met de naam energiebel kan worden aangeduid
De totale energie‐inhoud bepaalt o.a. wat er kan gebeuren, welke (nieuwe) deeltjes gevormd zouden kunnen worden.
De resultaten moeten gedetecteerd worden. Als eerste waren er de bellenvaten, waarvan een paar opnamen nu volgen. Denk eraan dat er soms deeltjes gevormd worden die wel heel kort “leven”, soms zelfs onzichtbaar zijn.
Het zijn meestal heel ingewikkelde sporen. Op een bepaald gedeelte wordt de aandacht gelegd. Geprobeerd wordt dat stukje van de sporen middels een soort reactievergelijking te verklaren. Bekijk het volgende spoor…
π‐ +p→π° n
n p→p p π⁻
Een Bellenvatfoto
π⁻ p→Σ⁻ K⁺
Σ⁻→π⁻ n
K⁺→π⁺ π°
Een μ⁻ heeft
tweemaaleen
interactiemet
anderedeeltjesen
vervaltvervolgensin
eenelektroneneen
antineutrino:
  e  
Als je goed gekeken hebt ben je nu de volgende deeltjes tegengekomen:
ᴨ‐ ᴨ+ ᴨo μ‐ e‐ anti‐ν
K+ Σ‐
p en n
Dit zijn er 10 van de 61 die gevonden zijn.
Je hebt een aantal gebeurtenissen gezien:
Foto1: Een pi‐min‐deeltje (ᴨ‐ ) botst op een proton (p), waarbij een ongeladen pi‐deeltje (ᴨo ) onstaat en een neutron (n) (beide onzichtbaar!). Het neutron botst even verderop ook op een proton, waarna 2 protonen en een pi‐min‐deeltje ontstaan.
Foto2:
Een pi‐min‐deeltje botst op een proton en er onstaan
een sigma‐min‐deeltje(Σ‐ ) en een K‐plus‐deeltje (K+).
(Waarom niet gewoon hetzelfde als in foto1?)
Het sigma‐min‐deeltje valt uit elkaar in een pi‐min‐
deeltje en een neutron.
Het K‐plus‐deeltje valt uit elkaar in pi‐plus (ᴨ+)en een pi‐nul‐deeltje.
Foto3: Een muon(‐) (μ‐ ) botst twee keer en valt dan pas uit elkaar in een elektron(‐) (e‐ ) en een antineutrino.
Deze gebeurtenissen worden als sporen gemeten en dan komt het “grote” werk: wat stellen die sporen voor, hoe kan het verklaard worden. Voldoet de verklaring aan de behoudswetten?
Een prima overzicht met bijbehorende uitleg over detectiemethoden is te vinden op een (Engelstalige) site van CERN: http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2005/bubble_chambers/BCwebsite/
Bronvermelding:
Met dank aan:
Na deze introductie, de doelen van de lessen elementaire deeltjes fysica:
Kennis van de deeltjes in het standaardmodel (alleen 1e generatie), Reactievergelijkingen voor kern‐ en deeltjes‐
processen moeten opgesteld en begrepen kunnen worden door gebruik te maken van symmetrie en behouds‐wetten voor energie, elektrische lading en lepton‐ en baryongetal
Eenvoudige deeltjesinteracties moeten met behulp van (Feynman)diagrammen beschreven kunnen worden:
paarcreatie, paarannihilatie, o.a. in de context van PET (Positron Emission Tomography);
Opgaven over de energie die vrijkomt bij kernfusie en kernsplijting moeten gemaakt en begrepen worden.
Daarbij speelt kennis van kritische massa, kettingreactie, bindingsenergie, massadefect, kernreactor. Detectiemethoden van elementaire deeltjes kunnen beschrijven
Nu volgen een aantal mogelijke opgaven over bellenvatsporen
Het belang van de foto: een spoor van een positief geladen deeltje (volgt uit de afwijking in het magneetveld), dwars door een loden plaat, dus geen α‐
deeltje
http://commons.wikimedia.org/
wiki/File:PositronDiscovery.jpg
1.
2.
3.
4.
Leg uit in welke richting het deeltje gaat (van boven naar beneden of andersom)
Wat is de richting van B?
Bereken de impuls van het deeltje aan de onderkant mbv p= L2QB/8s (L en s volgen uit de gebogen baan: L=koorde tussen eindpunten en s= afwijking naar de cirkelbaan)
(Q= de lading van een 1+ deeltje in Coulomb en B= 0,8 Tesla.) Bereken de impuls aan de bovenkant en bepaal welk percentage bij de doorgang door de loden plaat is verdwenen
http://www.ikhebeenvraag.be/vraag/2510
Uit de tegengestelde kromming in het magneetveld blijkt dat……………………….
Bereken uit de beginkromming van de banen de impuls van beide deeltjes (B=0,5T). Bereken de minimale energie die het foton dus moet hebben gehad. Gebruik de rustmassa’s van de deeltjes.
Geef het diagram wat deze gebeurtenis beschrijft. Aan welke behoudswetten moet worden voldaan?
http://cbooth.staff.shef.ac.uk/phy6040det/bubble.html
Volg het spoor van onderaf: er vindt een botsing plaats waarbij naast 3 zichtbare en waarschijnlijk 2 in het bellenvat onzichtbare deeltjes worden gevormd.
Leg uit dat er waarschijnlijk een naar links gaand foton is ontstaan.
Leg uit waarom veel gekromde sporen opeens ophouden. Vaak ontstaat er ook een spiraalvormig spoor.
Bundel K‐ deeltjes in waterstof‐bellenvat; herkennen van processen
‐
‐
‐
Wat is de bewegingsrichting van de bundel?
In welk punt wordt een elektron door een langskomend K‐ deeltje uit een atoom geslagen? In welk punt treedt een vervalsreacties op wat is de lading van het vervallen deeltje?
Bundel K‐ ‐deeltjes in waterstof‐bellenvat; schatten levensduur
In punt h is er interactie tussen een K‐ ‐deeltje en een proton. Hierbij ontstaat onder meer een neutraal deeltje dat vervalt in punt i.
De breedte van de foto is ongeveer 21 cm.
Neem aan dat alle deeltjes na de interactie bij benadering bewegen met de lichtsnelheid.
‐
‐
Maak een schatting van de levensduur van het deeltje dat bij h ontstaat en bij i vervalt,
Leg uit of er bij i sprake is van zwak dan wel sterk verval.
Afbuiging t.g.v. magneetveld
‐ Bepaal richting magneetveld op grond van de afbuiging van de elektronen.
‐ Leg uit waarom de elektronbanen spiraalvormig zijn.
Impulsbehoud
‐ Ga uit van inkomend neutraal deeltje met impuls 8,2 GeV/c in horizontale richting.
‐ Teken voor de situatie na het verval de impulsvectoren die in het interactiepunt raken aan de banen (gele pijlen).
‐ Gele pijlen zó tekenen, dat de vectorsom horizontaal loopt
‐ Daarna een ‘vertaalslag’ : uit de lengte van de rode pijl (= impuls inkomend deeltje = 8,2 GeV/c) volgt dan de lengte van de gele pijlen: 3,3 GeV/c en 5,7 GeV/c
Foto van een 8,25 GeV (K‐,p) experiment in het 2 m waterstof bellenvat (1970)
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
Bepaal richting magnetisch veld
Hoeveel deeltjes ontstaan er bij de botsing onderaan
Geef van elk deeltje de lading aan
Is er bij deze botsing voldaan aan behoud van lading?
Waar treedt een vervalsreactie op?
Hoeveel deeltjes ontstaan daarbij?
Geef van elk deeltje de lading aan
Foto van een 10 GeV (K‐,p) experiment in het 2 m waterstof bellenvat
De volgende reacties vinden plaats:
Bij de onderste botsing:
K‐ + p → Ω‐ + K+ + K+ + π‐
Het Ω‐ deeltje vervalt daarna als volgt:
Ω‐ → K‐ + Λ0
Tenslotte verval het Λ0 deeltje:
Λ0 → p + π‐
Over dit laatste verval, leg uit:
‐ welke baan van p en welk van π‐ is,
‐ dat de bewegingsrichting van Λ0 door de twee snijpunten van de banen van p
en π‐ loopt
Letten op NiNa
• In de syllabus: geen behoudswetten van quantumgetallen
• Geen impulsbehoud
Echter:
• p = m.v komt wél voor in Quantumwereld
• Rekenen met vectoren is ook een eis (A12)
• FL = Bqv is ook examenstof