Materie, anti-materie en donkere materieZoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Niels Tuning (Nikhef)

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Machten van tien …

Heelal 1026 m

Melkweg1021 m

Zonnestelsel 1013 m

Aarde 107 m

Mens100 m

Atoom 10-10 m

Kern10-15 m

Botsingen10-18 m

Reis naar het allerkleinste…

Machten van tien …

Heelal 1026 m

Melkweg1021 m

Zonnestelsel 1013 m

Aarde 107 m

Mens100 m

Atoom 10-10 m

Kern10-15 m

Botsingen10-18 m

AstronomieAstronomie Deeltjes fysicaDeeltjes 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 ?

Demokritosatoom

Newtonkrachten

Maxwellelectromagnetisme

Einsteinvan alles…

400 400 v.Chr.v.Chr. 16871687 18641864 19051905

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 is de donkere materie ?

Wat snappen we niet?

0% ANTI MATTER

Waar is deanti materie ?

Donkere energie??

Wat snappen we al helemaal niet??

0% ANTI MATTER

Donkere energie…

Zorgt dat het heelal versneld uitdijt! (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

“the biggest blunder I ever made in my life”

kosmologische constante van Einstein

0% ANTI MATTER

Het menu komende half uur:

Materie (snappen we)

I. Anti-materie (snappen we, maar is weg??)

II. Donkere materie (hebben we ideeen over…)

II. Wat is de donkere materie ?

I. Waar is deanti materie ?

0% ANTI MATTER

De stand van zaken in november 2010

http:// pdg.lbl.gov

up

down

elektron

De elementaire deeltjes

Proton

up

up

down

Neutrondown

down

up

Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen?

periodiek systeemvan Mendeleev

Alles!

Ook Middelburg

De elementaire deeltjes

Lading

+2/3 e

-1/3 e

-1 e

0 e

quark

sle

pto

ns

Materie

(1956)

u

d

I

e

e

(1895)

t

b

III

(1973)

(2000)

(1978)

(1995)

c

s

II

(1936)

(1963)

(1947)

(1976)

Niet één serie, maar drie!

•Fundamentele deeltjes en deeltjesversnellers

Is dit alles?

Lading

+2/3 e

-1/3 e

-1 e

0 e

quark

s

Generatie:

lepto

ns

Materie

(1956)

u

d

I

e

e

(1895)

t

b

III

(1973)

(2000)

(1978)

(1995)

c

s

II

(1936)

(1963)

(1947)

(1976)

Anti-materie

Revoluties begin vorige eeuw:– Relativiteitstheorie

– Quantum Mechanica

Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie!

Anti-materie deeltje:• Zelfde massa• Tegenovergestelde

lading

Voor elk materiedeeltje bestaat een anti-materiedeeltje ! (iγμ∂μ-m)ψ=0

De elementaire deeltjes

Lading

+2/3 e

-1/3 e

-1 e

0 e

quark

sle

pto

ns

Materie

(1956)

u

d

I

e

e

(1895)

t

b

III

(1973)

(2000)

(1978)

(1995)

c

s

II

(1936)

(1963)

(1947)

(1976)

De elementaire deeltjes

-2/3 e

+1/3 e

+1 e

0 e

u

d

c

s

t

b

e

e

Anti-materie

Lading IIII IILading

+2/3 e

-1/3 e

-1 e

0 e

quark

sle

pto

ns

Materie

(1956)

u

d

I

e

e

(1895)

t

b

III

(1973)

(2000)

(1978)

(1995)

c

s

II

(1936)

(1963)

(1947)

(1976)

(1932)

Hoe maak je anti-materie??

e+ e-

Albert Einstein: E=mc2

materie + antimaterie = licht !

(en vice versa)

e+ e-

Anti-materie in ziekenhuizen:de PET-scan

ee++ee

Wat snappen we nog niet:

Materie (snappen we)

I. Anti-materie (snappen we, maar is weg??)

II. Donkere materie (hebben we ideeen over…)

II. Wat is de donkere materie ?

I. Waar is deanti materie ?

0% ANTI MATTER

Wat snappen we nog niet?

I. “Anti-materie”

Waar is de anti-materie gebleven?

Geen anti-materie met satellieten

Geen anti-materie sterrenstelsels

We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd!

Temperatuurfluctuatiesstructuur van het heelal

Rotatie-curves Gravitationele lens

Wat is de donkere materie ?

II. “Donkere materie”

Temperatuurfluctuatiesstructuur van het heelal

De “klontering” zegt iets over zwaartekracht en dus over massa

400,000 jaar na oeknal werd heelal doorzichtig

II. “Donkere materie”

Oudste foto: 380.000 jaar na de Big Bang

Rotatie-curves

data

R-0.5

Afstand tot centrum stelsel (kpc)

Sn

elh

eid

(km

/s)

Rotatie-snelheid sterren

II. “Donkere materie”

Gravitationele lens

II. “Donkere materie”

Donkere materie is “doorgeschoten”: te zien met gravit. lens

Normale materie is “afgeremd”: te zien met X-rays

Botsende melkwegstelsels

Wat snappen we niet?

Anti-materie??(waar is het gebleven)

Donkere materie??(wat klonterde de sterrenstelsels)

AstronomieAstronomie Deeltjes fysicaDeeltjes fysica

Kijken zonder je ogen te gebruiken

•Niels Tuning Open Dag 2008

Botsingen van Deeltjes

I. Hoe onderzoeken we anti-materie: Detector

I. Hoe onderzoeken we anti-materie

b

s

s

b

materie ↔ anti-materie

II. Hoe ontdek je donkere materie: Detector

II. Hoe ontdek je donkere materie?

proton

proton

quark

neutrino

elektron

quark quark

quark

Simulatie top quark productie

Normaal

II. Hoe ontdek je donkere materie?

Nieuw ?

?

geenbalans

muon

muon

Maak nieuwe deeltjes met energie! E=mc2

Einde

1) Materie (snappen we)

2) Anti-materie (snappen we, maar is weg??)

3) Donkere materie (hebben we ideeen over…)

Wat is de donkere materie ?

Waar is deanti materie ?

0% ANTI MATTER

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

“Quantum mechanica en begrip van atomen cruciaal voor transitors.”

1947194720092009

Wat is het nut van dit onderzoek?

Fundamenteel onderzoek

– Kan leiden tot verrassingen,

• Soms zelfs nuttig…

• Maar per definitie van te voren onbekend

“Zonder relativiteits-theorie 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

Before treatment

6 Weeks after carbon treatment with a dose of 60 Gye

Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie”

D.Schulz-Ertner et al.

Carbon en Proton Therapie in Europa

HIT – Heidelberg Ion beam Therapy

operational

under construction

planned

protons and ions

protons

Voorbeeld van spin-off: www

1989:1989: Tim Berners Lee proposed “html” and “WorldWideWeb”

1992:1992: 1ste website in NL: http://nic.nikhef.nl

1993 :1993 : www in the public domain

Wat verwacht je ?

Al 30 jaar bestaan er precieze wiskundige voorspellingen!

We meten quark koppelingen

Er is een complexe phase in de koppelingen

Meetbaar als er 2 amplitudes een rol spelen:

Γ( B f) = |A1+A2ei(φ+δ)|2

Γ(Bf) = |A1+A2ei(-φ+δ)|2

eiφ e-iφ

matter anti-matter

Bewijs van bestaan van complexe getallen…

Meten van complexe getallen!

Nobelprijs voor Kobayashi & Maskawa

• KM voorspelden in 1972 de 3de generatie quarks om kleine verschillen in materie en anti-materie te verklaren

Toshihide Maskawa Makoto Kobayashi

Verschil materie, anti-materie: Nobelprijs 2008

b

s

s

b

“Box” diagram: ΔB=2

b s

μ

μ

“Penguin” diagram: ΔB=1

Wat snappen we niet?

Anti-materie??(waar is het gebleven)

Donkere materie??(wat klonterde de sterrenstelsels)