DeeltjesfysicaNikhef: Nationaal instituut voor subatomaire fysica

Ivo van Vulpen

Deeltjesfysica

Bestudeert de natuur op afstanden < 10-15 m

atoom kern

Quantum theorie beschrijft alle metingen tot 10-18 m

10-15 m

Newton

Maxwell

Einstein

Relativiteitstheorie

Quantummechanica

Bohr

Zwaartekracht en Electromagnetisme“zelfde krachten … nieuwe modellen”

De kernkrachten

10-10 m

10-15 m

1] Positieve deeltjes stoten elkaar toch af ?

2] Wat houdt de neutrale deeltjes bij elkaar ?

2 nieuwe natuurkrachten:

- zwakke kernkracht

- sterke kernkracht

atoomkern

Elementaire deeltjes fysica

- Wat zijn de bouwstenen van de materie ? - Wat zijn de krachten die op deze bouwstenen werken ?

Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden:

Deeltjesfysicus anno 500 B.C. Nikhef‘ers 2009 A.D.

up

down

elektron

De elementaire deeltjes

up

down

elektron

De elementaire deeltjes

Proton

Neutron

up

up

down

down

down

up

periodiek systeemvan Mendeleev

Wat kan je maken met deze 3 bouwstenen!

Alles!

up

down

elektron

neutrino

muon

neutrino

charm

strange

tau

neutrino

top

bottom

De elementaire deeltjes

Deeltjes Krachten

Quarks

Leptons

bouwstenen van proton/neutron

elektron

1) Electromagnetisme

2) Zwakke kernkracht

3) Sterke kernkracht

muon

Aarde Mars

Begrijpen we ook het ‘iets verderop’ ?

Maan

1

Donkere materie

“Quarks en Leptonen zijn de bouwstenen van materie”

Revolutie in kosmologie laatste paar jaarStructuur van het heelal

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

TemperatuurfluctuatiesStructuur van het heelal

Rotatie-curves Gravitationele lens

Donkere materie

Materie en anti-materie

elektron & anti-elektron

muon & anti-muon

Waarneembaar heelal:wel materie, geen anti-materie

2

Waar is de anti-materie gebleven ?

“Materie en anti-materie worden altijd in gelijke hoeveelheden gemaakt.”

Verschil materie en anti-materie

Theorie: materie en anti-materie zelfde eigenschappen

Levenduur anti-muon: 2.197 μs

Levenduur muon: 2.197 μs

Neutrino’s

Elektron

Muon

Tau

up,down, strange

Top quark

bottom

charm

Higgs boson

3

Er is wel massa! Zeer grote spreiding

Massieve W en Z bosonen

“Liever geen massa voor de deeltjes. Dat breekt namelijk de mooie symmetrie.”

Oorsprong van massa

Kijken zonder je ogen te gebruiken

Quantummechanica: deeltjes zijn golven

microscoop voor zeer kleine afstanden: - klein: elektronen microscoop - kleinst: Large Hadron Collider

IR UV Röntgen Energie

10-6 m 10-11 m

1] Kijken met licht

2] Kijken met deeltjes

Licht verstrooit aan objecten die groterzijn dan de golflengte van het licht

λ ~ 10-19 m

bovenaanzicht

?

Hoe ketsen de kogels af ?

onbekend voorwerp achter een gordijn… en 100 kogeltjes

?

?

?

?

Situatie 1

Situatie 2

?

?

Situatie 1

Situatie 2

? ?

Situatie 3

1) Kleine kogels maken: Deeltjesversneller2) Berekenen wat je verwacht voor een hypothese: Theorie3) Afgeketste deeltjes kunnen bekijken: Detector

Quantum-model

‘Kijken’ naar sub-atomaire structuren:

De grootste microscoop op aardede Large Hadron Collider (LHC)

op CERN bij Genève

De LHC deeltjesversneller

Geneve

De Large Hadron Collider

Geneve Amsterdam

LHC: 27 km A10: 32 km

The LHC machine

Energie is gelimiteerd door de kracht van 1232 dipool magneten: B= 8.4 TEnergie is gelimiteerd door de kracht van 1232 dipool magneten: B= 8.4 T

Logistieke nachtmerrie

maar gelukt

De LHC is rond !

“Op 10 september hebben bundels protonen een rondje LHC gemaakt”

doorsnede LHC bundel

Energie 1 proton (LHC)

Bundel 1

Bundel 2

Doorsnede LHC bundelpijp

Energie LHC bundel

3000 x 100.000.000.000 protonen

Bundel 1

Bundel 2

40 miljoen botsingen per seconde

Klassiek botsen

Quantummechanisch botsenproton proton

Wat verwacht je ?

Klopt het ?

Alb

ert

Ein

ste

in

Bij de LHC op CERN:

Energie omzetten in massa (deeltjes)

Heel vaak botsen

Hoe zien die botsingen er nou uit ?

proton

proton

quark

neutrino

elektron

quark quark

quark

Simulatie top quark productie

ATLAS

LHCb

ALICECMS

mens

het grootste fototoestel op aarde

energie elektronen en fotonen

energie quark-deeltjes

positie en impuls geladen deeltjes

magneetmuon detector

magneet

80 MegaPixel camera 40.000.000 foto’s per seconde

De Atlas pixel detector

De Atlas SCT detector

Foto in de cleanroom op het Nikhef (Amsterdam)

De Atlas Muon Detector

mens

NikhefCERN

Beneden in de Nikhef hal

bundel 1

De Atlas detector doet het: bundel achtergrond

Bundel gestopt op een blok koper

Op 10 september 2008 Atlas detector operationeel tijdens start-up LHC bundel

Zij-aanzicht Atlas detector

Voor-aanzicht

Atlas detector

Ok, het echte werk …

Normaal

Hoe ontdek je nou nieuwe dingen

Nieuw ?

Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector

?

muon

muon

muon

muon

Fotootjes kijken

40 miljoen botsingen per seconde

ongeveer 1 Higgs boson per dag

1 naald in 40 miljoen hooibergen….. per seconde !

10 september 2008: bundel rond Nu problemen. Herstart april 2009

ATLAS detector klaar… LHCb, ALICE, CMS ook

Meer dan genoeg vragen… meer dan genoeg ideeën/oplossingen

LHC versneller Detectoren

Theorie

We zijn er klaar voor

Astro-deeltjesfysica

•18 oktober 2008

Kosmische straling

Beneden in de Nikhef hal

Flu

x (

m2

sr

s G

eV

)-1

Energy (eV)

Cygnus

-Quasar

Active GalacticNucleus

Kosmische straling hardWie, hoeveel, hoe hard, … ?

1 deeltje /m2 per jaar

1 deeltje /km2 per jaar

1 deeltje /m2 per jaar

?

Pierre Auger detector

1600 tanks, 1.5 km uit elkaar

Argentinie

p

Fotonen (): geabsorbeerd

Protonen (p): afgebogen

Neutrino’s (): DE BRON

Oorsprong kosmische stralen ?

Neutrino experimenten (Nikhef)

Kijken naar de bodem vande zee

•Junction box

•14.5 m

•p

•p

•Buoy

•350 m

•100 m

ANTARES detector

Oorsprong deeltjes

Schaduw van de maan (muonen)

Protonen: buigen af in galactisch magnetisch veldFotonen: geabsorbeerd door gasNeutrino’s: kan, maar zeer lastig te detecteren

Oorsprong zeer hoog energetische stralen

Einde

Meer vragen: Ivo.van.Vulpen@nikhef.nl

Gabby.Zegers@nikhef.nl

De natuurkrachten

1)Electromagnetisme

2)Zwakke kernkracht

3)Sterke kernkracht

4)zwaartekracht

Quantum mechanica