Quarks - Nikhef

advertisement
Elementaire
Deeltjes in het
Standaard Model
en…?
Bob van Eijk, Nikhef/UT
Master Class, 5 maart 2010
430 - 400 jaar B.C.
“Er is niets anders dan atomen en ruimte,
al het andere is een mening”
- Democritus van Abdera
“De alchemisten”
~1869: “Het periodiek systeem”
Dmitry Ivanovich Mendeleyev
Julius Lothar Meyer
~1900: Boltzmann’s atoom
• Boltzmann, een briljante
Oostenrijkse theoretisch fysicus,
bedenkt een theorie die de
atoomhypothese ondersteund.
• Hij ondervindt zoveel oppositie dat
hij hierdoor gedeprimeerd raakt.
Ludwig Boltzmann
• Na zijn zelfmoord op 5 september 1906
haalt hij postuum alsnog zijn gelijk…
“Klein zien”
• De golflengte van de straling
waarmee een object onderzocht
wordt moet kleiner zijn dan de
afmetingen van het object zelf!
• De Broglie (1924):
golflengte ~ 1/p
met p=impuls (energie)
• Hoge energie = klein object
Atomen “zichtbaar” maken
• Natrium en chloor
atomen geordend in
een rooster

Atomen worden
zichtbaar gemaakt
m.b.v. een scanning
elektronen microscoop
Het atoom…
1897
elektron
(Thomson)
1911
kern
(Rutherford)
1911
proton
(Rutherford)
1932
neutron
(Chadwick)
…en afmetingen?
1010 m
1011 m
1014 m
?
1015 m
Chaos in de kern…
• Materie is opgebouwd uit
atomen
• Een atoom bestaat uit
elektronen, neutronen en
protonen; de rest is lege ruimte
(vacuüm)
• Een proton is een combinatie
van twee up-quarks en een
down-quark
• Een neutron is een combinatie
van een up-quark en twee downquarks
Een diepere kijk in protonen en neutronen laat zien dat
het er krioelt van quarks, anti-quarks en gluonen
“Bouwstenen der materie”
Extra
vergroting?
50 μm
x 25 duizend
2 nm
x 1 miljoen
Twintig
per mm
DNA
Vijf honderd
duizend
per mm
x 2 duizend
Microscoop
Elektronen
microscoop
De kern
Vijf honderd
miljard
per mm
2 fm
< 1 am
Cellen
Quarks
Meer dan een
miljoen miljard
per mm
Deeltjes versneller
Quarks…
1963:
De eerste 3 quarks worden geponeerd
(“up”, “down” en “strange”)
1974:
Bewijs voor het bestaan van een 4e
quark (“charm”) wordt gevonden. Twee
experimenten rapporteren gelijktijdig
de ontdekking van een nieuw deeltje
(J/Ψ)
1976:
Onverwachte ontdekking van een 5e
quark (“bottom”)
1995:
Ontdekking van het “top” quark
…en leptonen…
1897: e, het elektron
1933: , het muon
1976: , het tau(on)
1956: e, het elektron-neutrino
1962: , het muon-neutrino
2000: , het tau-neutrino
(Dr. Aart Heijboer)
Drie families: 1897-2009
Deeltjes massa gemeten in MeV; 1 MeV  1.81027 gram
Fundamentele krachten…
e-
e-

p+
p
+
Krachten worden overgedragen door “deeltjes”
…6 quarks en 6 leptonen…
(“een nieuw periodiek systeem”)
u
c
t
e
μ
τ
d
s
b
νe
νμ
ντ
quarks
leptonen
…elektromagnetische kracht…
u
c
t
e
μ
τ
d
s
b
νe
νμ
ντ
quarks
leptonen

foton
…zwakke kracht…
(“radioactieve verval”)
u
c
t
e
μ
τ
d
s
b
νe
νμ
ντ
quarks
leptonen
W Z
vector
bosonen
…sterke kracht…
(“sterke kernkracht”)
u
c
t
e
μ
τ
d
s
b
νe
νμ
ντ
quarks
leptonen
g
gluonen
…en de zwaartekracht
(“gravitatie”)
u
c
t
e
μ
τ
d
s
b
νe
νμ
ντ
quarks
leptonen
G
graviton?
Deze kennis verklaart veel
van hoe onze directe
omgeving opgebouwd is…
Een reis naar het begin
van de tijd…
…maar, verklaart het ook
het ontstaan van ons
melkwegstelsel, ons
universum?
Wat weten we van ons heelal?
Oerknal
nu
Ouder ….. groter … kouder … lokaal minder energie
Wat weten we van het jonge
heelal?
Hoge temperaturen
Opgebouwd uit de
fundamentele
bouwstenen van de
materie
Bestudeer deze fase
met deeltjes fysica
en versnellers
Materie en antimaterie
Oerknal: start met gelijke hoeveelheden materie
en antimaterie (E = mc2)
Nu: wij (materie) bestaan; waar is de antimaterie gebleven?
WMAP
Materie en antimaterie “annihileren”
100% van de massa wordt omgezet in
energie!
2.726 K
Waar is de antimaterie?
Materie en antimaterie
moeten in gelijke
hoeveelheden gecreëerd zijn
Het subtiele verschil tussen
materie en antimaterie kan
met deeltjesversnellers
bestudeerd worden
Experimenteel geverifieerd: ieder quark heeft een antiquark partner;
ieder lepton heeft een antilepton partner (Dr. Aart Heijboer;
zwakke wisselwerking en neutrino’s)
Krachtige deeltjesversnellers
…bieden een
telescoop op het
vroege heelal…
…tot een
miljardste deel
van een seconde
na de oerknal…!
De samenstelling van het heelal?




Leeftijd heelal?
~ 14 miljard jaar
Afmeting van het heelal?
~ 14 miljard lichtjaar ~ 1.4 x 1026 m
(1 lichtjaar ~ 1016 m)
Hoe leeg is het heelal?
minder dan 1 atoom/m3
(in schijf van melkweg 5/cm3)
Hoeveel atomen bevat het heelal?
ca 1079 atomen
Materie en energie in het heelal
X ray
Donkere energie
73%
Grav. lens
23%
kosmische
versnelling
Koude
donkere
materie
Donkere
baryonische
materie (3.5%)
Normale materie: sterren (0.4%)
Antimaterie…
…en “donkere materie”
“Super Symmetrie”
~
~
~
uu cc t t
~
~
~
~
~
~
~
~
~
dd s s bb
(s) quarks
ee μμ τ τ
νe
νμ
νe
νμ
ντ
ντ
~
~
W
W ZZ
~ ~
  gg
(s)leptonen (s) bosonen
Wat is massa?
Peter Higgs
• Higgs, een Engelse
theoretisch fysicus,
bedenkt een theorie
waardoor elementaire
deeltjes massa (“gewicht”)
krijgen.
• Zijn theorie impliceert het
bestaan van een nieuw
(Higgs) deeltje!
• Deeltje nog niet ontdekt!
• Cruciale vraag: hoe zwaar is dit deeltje zelf…?
Het `Higgs’ beeld van massa
•
•
•
In het `echte vacuum’ zijn alle deeltjes
massaloos (dus: v = c)
`Ons’ vacuum is niet echt leeg, maar gevuld
met het Higgs veld
Deeltjes hebben interactie met Higgs veld:
•
•
hierdoor bewegen ze langzamer
ze krijgen op die manier massa !
Het gewicht van nat licht
(Ronald Kleiss – Nijmegen)
lucht (`vacuum’)
E = 2 eV
v=c
m=0
Einstein
m2c4 =
E2 (1-v2/c2)
Het gewicht van nat licht
lucht (`vacuum’)
water
E = 2 eV
v=c
m=0
m2c4 =
E2 (1-v2/c2)
Het gewicht van nat licht
lucht (`vacuum’)
E = 2 eV
v=c
m=0
E = 2 eV
v = 0.75 c
water
m2c4 =
E2 (1-v2/c2)
Het gewicht van nat licht
lucht (`vacuum’)
water
E = 2 eV
v=c
m=0
E = 2 eV
v = 0.75 c
m = 1.5 eV !!
m2c4 =
E2 (1-v2/c2)
Weten we dan helemaal niets
van het Higgs deeltje?
Weten we dan helemaal niets
van het Higgs deeltje?
De Higgs in proton-proton botsingen
e+
q
q
Z0
W
p
+
e-
H
Z0
-
W
q
q
p
Botsingsexperimenten…
…een wereld van
nieuwe deeltjes!
CERN
Europees Laboratorium voor Deeltjes Fysica
Map © Google




‘s Werelds grootste (deeltjes) fysica lab
Samenwerking startte in 1954
Multinationaal lab op Zwitsers-Franse grens
Nikhef en aantal NL-universiteiten nemen deel
De Large Hadron Collider (LHC)
…100 meter en meer onder het
maaiveld…
De “Large Hadron Collider”
proton-proton botsingen bij 14 TeV
CM
S
26.7 km omtrek
ATLA LHCb
S
ALICE
start: najaar 2009
Wat betekent 1 eV aan
“energie”?
Bewegende luchtmoleculen
1/40 eV
Licht van een lamp
~ 1 eV
Röntgen apparaat in ziekenhuis
~ 1 keV (103)
Radioactieve bron
1 – 10 MeV (106)
Lage energie kosmische straling
1 GeV (109)
“Large Hadron Collider”
14 TeV (1012)
Ultra hoge energie kosmische straling ~ 1020 eV
De grote vraagstukken:
Hoe krijgen deeltjes hun massa?
Waar is alle antimaterie gebleven?
Waar bestaat donkere materie uit?
Wat voor verrassingen heeft de natuur
voor ons nog in petto?
Of een anti-materie bom ?
ATLAS.ch/angels
en
AngelsAndDemons.com
en
http://angelsanddemons.c
ern.ch/
Tussen haakjes, het kost CERN ~ 2 x 109 jaar om
een 1/2 gram anti-materie te
produceren ~ 10 ktons TNT)
46
46
TM & © 2009 Columbia Pictures Industries, Inc. All Rights Reserved.
Download
Random flashcards
fff

2 Cards Rick Jimenez

Rekenen

3 Cards Patricia van Oirschot

Create flashcards