Keerpunten2009

Keerpunten 2009
De Kleinste Deeltjes
A.P. Colijn
Vooruitblik
Krachten:
1. Zwaartekracht
2. Elektromagnetisme
3. Zwakke kracht
4. Sterke kracht
2
I: De Kleinste Deeltjes - 1895
Klassieke Natuurkunde
Het einde van de 19e eeuw
• De Klassieke Natuurkunde
– Zwaartekracht - Newton
– Electromagnetisme – Maxwell, …
– Thermodynamica – Boltzman, ….
• Atomen als Bouwstenen
Zwaartekracht
a
5
Zwaartekracht
m1
m2
ar
GN m1m2 ˆ
r
Fg
2
r
GN  6.7 1011 m3kg 1s 2
6
7
Elektriciteit
+ en eboniet
Elektriciteit
glas
Er is een kracht die “iets” doet met
elektrische lading :
+
+
+
1.
+ en + lading stoten elkaar af
2.
- en – lading stoten elkaar af
3.
+ en – lading trekken elkaar
aan
Elektrische lading komt in brokjes: kleinste
eenheid is elektron lading.
8
q1
q2
Elektriciteit
r
q
1 q1q2 ˆ
r
Fq
2
4 0 r
1
 9 109 Nm2C 2
4 0
9
Magnetisme
College "Keerpunten" Universiteit van
Amsterdam 2004/2005 (Frank Linde)
10
Magnetisme
I1I 2
F
r
N
Z
N
Z
N
N
Z
Z N
Z
N
N
N
Z
Z N
Z N
Z N
Z
Z N
Z
N
N
Z
11
Z N
Z
Elektro-Magnetisme
  E   / 0
B
 E  
t
B  0
E
  B   0 J   0 0
t
12
Het Atoom
Het Periodiek Systeem
13
Hoe groot? 30-300·10-12m
Het Atoom
Hoe zwaar? 1.7·10-27 – 4.5·10-25 kg
Hoe veel? 1g waterstof = 6·1023 atomen
Getal van Avogadro = 6 1023
14
beweging
I. Brownse
Atomen: realiteit of fictie?
15
microscopie
II. Electron
Atomen: realiteit of fictie?
College "Keerpunten" Universiteit van
Amsterdam 2004/2005 (Frank Linde)
16
tunnel microscopie
III. Scanning
Atomen: realiteit of fictie?
17
IV: Collegezaal
Experiment
Atomen: realiteit of fictie?
Stap1: maak klein stukje hand nat
Stap2: blaas erover
Observatie: …………
Verklaring met atoommodel!
V: Thermodynamica
Atomen: realiteit of fictie?
Temperatuur:
T  Ebeweging
Heel veel atomen samen:
pV  nRT
Experiment
&
Theorie
Structuur van het Atoom
20
Structuur van het Atoom: Het Elektron
e/m = 1.761011 C/kg
Thomson
1897
Thomson
(1856-1940)
(e/mp = +0.96108 C/kg)
21
Structuur van het Atoom: Het Elektron
qe = 1.60217646  1019 C
Millikan 1900
22
Botsen op Atomen: Hypothese van Thomson
Botsen op Atomen: Resultaat van Rutherford
Ernest Rutherford (1871-1937)
1. α
2. atoomkern
3. proton
“All science is either physics
or stamp collecting”
Bohr’s atoom model
n=5
4
3
2
1
Balmer serie
College "Keerpunten" Universiteit van Amsterdam 2004/2005 (Frank Linde)
26
μm
1

0.0
Paschen
3
Balmer
En  
13.6
n
2
1

1



 2
 10.97
2
1
n 

μm
1
eV
μm
2
quantumgetal n
 1
1 

 2  2  10.97
2

n


Lyman
1.5
3.4
bindingsenergie (eV)
 1
1 

 2  2  10.97
3
n 

1
1
13.6
27
eV
Natuurkunde
Herzien
Planck
De Broglie
Bohr
Heisenberg
In de natuurkunde is bijna alles al
ontdekt. Alles dat overblijft is het
vullen van een paar gaten.
• Quantum mechanica
• Relativiteitstheorie
Einstein
Schrodinger
II: De Kleinste Deeltjes - 2009
Terugblik
Krachten:
1.Zwaartekracht
2.Elektrische kracht
3.Magnetische kracht
Atomen:
positieve kern
negatieve elektronen er omheen
Bohr Model
30
Quantum Theorie
Heisenberg: onzekerheidsrelaties
De Broglie: deeltje-golf
n=3
n=2
n=1
h

p
h  6.6 1034 Js  Constante van Planck
31
Quantum Theorie
Schrodinger Vergelijking
2

i

 2   V   E
t
2m
Voorbeeld: Oplossing voor vrij deeltje (V=0)
in 1-dimensie:
( x, t )  Ae
i ( px  Et )/
h

p
Natuurkunde op kleinste schaal beschreven door de
golffunctie Ψ:
|Ψ|2 is kans / volume!
32
energie dichtheid
ρ E  λ  
8π
8π
1
4
1 kT
λ
GEEN Quantum
energie dichtheid
Quantum Theorie
Energie spectrum zwarte straler
ρE  λ  
λ

4
hc

hc λkT
1 λ
e
WEL Quantum
0 m
0,5 m
golflengte33()
Quantum Theorie
Foto elektrisch effect
invallend licht
golflengte 
frekwentie f
losgeslagen
elektronen
34
drempelspanning Vdrempel
Quantum Theorie
Foto elektrisch effect
hc 1
Vdrempel   constante
e λ
golflengte1 (1)
35
Relativistische Quantum Veldentheorie
Relativiteit
+
Quantum
36
Relativistische Quantum Veldentheorie
basis
interactie
Compton verstrooiing:
e  e
Möller verstrooiing:
ee  ee
Bhabha verstrooiing:
(Feynman diagram)
e+e  e+e
Paar creatie:
Relativiteit
+
Quantum
  e+e
Paar annihilatie:
e+e  
37
Deeltjesjacht
Structuur in de atoomkern
1897
elektron
Thomson
1911
kern
Rutherford
1911
proton
Rutherford
1932
neutron
Chadwick
38
Deeltjesjacht
Dirac voorspelt het anti-elektron
Wat is een anti-deeltje?
39
Deeltjesjacht
Anderson ontdekt het anti-elektron!
Bijna alle deeltjes “hebben” een anti-deeltje
40
Deeltjesjacht
Proton elementair?
elektron
foton
1 fm
+2/3
-1/3
+2/3
41
Wat houdt het proton bijeen?
Sterke Kracht
F elektrisch
+2/3
-1/3
+2/3
F sterk!
Quantum ChromoDynamica
Gedragen door gluonen
42
Neutron verval = β verval
Zwakke Kracht
e-
W-
ν
-1/3
-1/3
+2/3
+2/3
43
Elementaire Deeltjes
Anno 2009
44
Zwaartekracht:
Krachten
Newton

W
&
Elektro-Magnetisme:
Maxwell e.a.
Z0
Zwakke kernkracht:
Becquerel e.a.
g
Sterke kernkracht:
Yukawa e.a.
45
III: De Kleinste Deeltjes – LHC tijdperk
Terugblik
Krachten:
1. Zwaartekracht
2. Elektromagnetisme
3. Zwakke kracht
4. Sterke kracht
Elementaire Deeltjes:
47
48
Zijn we klaar?
Heelal foetsie!
“dark stuff” = 96%
“good stuff” = 4%
50
Large Hadron Collider
LHC:
Werkzame doorsnede
σ
Eenheid is “barn”=10-24cm2
1 b = 10-30 cm2
1 nb = 10-33 cm2
1 pb = 10-36 cm2
51
LHC:
Werkzame doorsnede
σ ????
52
L
B
N2
N1
LHC: Luminositeit
σ
Aantal botsingen per seconde:
dN f N1 N 2

  L 
dt
B
53

p1  ( E1 , p1 )

p2  ( E2 ,0)

pHiggs  ( EHiggs , pHiggs )

pHiggs  ( EHiggs,0)
LHC: Energie
 p  (E ,  p )
p1  ( E1 , p1 ) 2
2
1
Botsingenergie om een bijvoorbeeld een Higgs deeltje te maken
E1  E2  mHiggs c
2
54
LHC: Wat botst er?
q
q
+2/3
-1/3
g
g
g
+2/3
55
56
LHC: Ongeluk 2008
Large Hadron Collider
Moeten we bang zijn?
57
Vier Microscopen
γ
W+/-
Z
g
Higgs boson?
58
ATLAS
γ
W+/-
Z
g
Higgs boson?
59
10 september 2008
10:19 hrs: Beam hits
closed collimater
140 m upstream
Online display
Offline display
P 60
61
CMS
LHCb
γ
W+/-
Z
g
Higgs boson?
62
ALICE
γ
W+/-
Z
g
Higgs boson?
63
64
Speculatie
Wat moeten
wij daar nou
weer mee?
Keerpunt 1
•
De orde der dingen in 1895:
– De wereld van het Periodiek systeem
• Moleculen en atomen
• Je gelooft iets dat je niet kan zien
– Zwaartekracht en Elektromagnetisme
• Hoe vind je uit hoe de Natuur werkt? Empirische wetenschap.
• Newton
• Coulomb, Faraday, Maxwell
•
De Natuurkunde is af!
•
Ontdekkingen:
– Thomson: elektron
– Rutherford: hoe ziet het atoom er uit?
– Bohr model waterstof
•
Leesstof T&H: hoofdstuk5 & hoofdstuk 8
Keerpunt 2
•
Quantum & Relativiteit
– Natuurkunde op de schop 1900-1930
– Tijdperk van de grote ontdekkigen
•
Hoe zoek je naar het kleinste deeltje?
– Botsende deeltjes met veel energie
– Vaak botsen
•
Nieuwe orde - 2009
– Quarks en leptonen
– Vier krachten
•
•
•
•
•
Zwaartekracht
Elektromagnetisme
Zwakke kernkracht: W en Z deeltjes
Sterke kernkracht: het gluon
Leesstof T&H: hoofdstuk 13
Keerpunt 3
•
Wankele orde:
– Wat moet je met de zwaartekracht?
– Waar is het Heelal?
•
De orde omver?
– LHC versneller
• Hoe ziet een grote versneller er uit?
• Wat gaat er gebeuren als twee protonen botsen?
• Hoe staat het er nu voor?
– Mega Detectoren
• De ogen van de deeltjes-fysicus: Je gelooft weer iets dat je niet kan zien!
• ATLAS: Hoe ziet het eruit? Hoe werkt het? Hoe staat het er voor?
• LHCb
•
Nieuwe ontdekkingen?
– Higgs deeltje
– Super Symmetrie
– Outer space….
•
Leestof T&H: niet van toepassing