F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Welkom 10:15 - 11:00 Deeltjes fysica I 11:15 – 12:00...

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

• • • • • • • • • • Welkom • • • • • • • • • • •

10:15 - 11:00 Deeltjes fysica I11:15 – 12:00 Rondleiding12:15 – 13:00 Deeltjes fysica II • • • • • • • • • • • • Lunch • • • • • • • • • • •

14:00 – 14:45 De zon15:00 – 15:45 De cosmos • • • • • • • • • • Afsluiting • • • • • • • • • •


De zon als laboratorium voor

deeltjes fysica

• Inleiding deeltjes fysica I• Inleiding deeltjes fysica II• Hoe werkt de zon?• Deeltjes uit de cosmos (AH)

3

Energie huishouding v/d zon

L=150.000.000 km

R=700.000 km

M=21030 kg

R=7.000 km

Energie flux: op aarde: 1400 W/m2

Dus zon straalt uit: 4L21400 41026 W

Hoe komt die zon aan zijn energie?

Stel: zwaartekracht

Ezon GM2zon/Rzon 41040 Ws

41040/41026 30.000.000 jaar

Stel: benzine bom: C5H12+7O25CO2+6H2O

Ezon Mzon108 Ws 21038/41026 15.000 jaar


Inleiding deeltjes fysica

• Deeltjes & krachten• Experimentele deeltjes fysica • De “highlights”: historisch perspectief• De “hot issues”: toekomst perspectief


Deeltjes & krachten

1. Hoe zit het in elkaar?

2. Hoe werkt het?


Hoe zit het in elkaar?

De elementaire deeltjes

7

eqelektron = 1

elektron

p udu

qproton = 1 = 2x(2/3) 1x(1/3)

proton

n ddu

qneutron = 0 = 1x(2/3) 2x(1/3)

neutron

me = 0.9210-30 kg

mp = 1.710-27 kg

mn = 1.710-27 kg

8

Periodiek systeem: atomen

D.I. Mendelejev(1834-1907)

E. Rutherford(1871-1937)

N. Bohr(1885-1962)

http://chemistry.about.com/gi/dynamic/offsite.htm?site=http%3A%2F%2Fwww.colorado.edu%2Fphysics%2F2000%2Fapplets%2Fa2.html

http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/a2.html

9

Elementair, energie & massa

Elementair:Wanneer heet een deeltje elementair?

Energie:Kinetische energie auto: 1000 kg en v=180 km/uur?

Verbrandings energie 1 liter benzine?

Energie winst elektron na 1 Volt spannings verschil?

Antwoord: tot het moment waarop het aantoonbare sub-struktuur heeft d.w.z. bestaat uit iets anders!

Antwoord: ½mv2 = 1.25106 J = 1.25 MJ

Antwoord: 108 J = 100 MJ ( 80 van 0180 km/uur)

Antwoord: 1 eV = 1.61019 J

Massa:Einstein heeft relatie gevonden tussen massa & energie: E=mc2

Welke energie correpondeert met een 0.9210-30 kg zwaar elektron?

A. Einstein(1879-1955)

Antwoord: 0.9210-30kg (3108m/s)2 eV 0.511106 eV = 0.511 MeV1.61019 J

10

Familie portret elementaire deeltjes

u u ud d d

e

ec c cs s s

t t tb b b

I II III

m [MeV]

0

0.511

3

6

m [MeV]

0

106

1250

120

m [MeV]

0

1777

174300

4200

(1 MeV 1.810-30 kg)

0qeq

eq 32eq 3

1

Rood Geel Blauw

11

Familie portret elementaire anti-deeltjes

c c cs s s

t t tb b b

I II III

u u ud d d

e

e

Recept:

lading q q kleur anti-kleur rest (massa, spin, …) blijft onveranderd


Hoe werkt het?

De fundamentele krachten

Gravitation

13

Elektrische kracht

kracht

E-veld

E

Q

14

Magnetische kracht

kracht

B-veld

I

B

15

J.C. Maxwell(1831-1879)

Elektro-Magnetische wisselwerking licht!

W.C. Röntgen(1845-1923)

G. Marconi(1874-1937)

H. Hertz(1857-1894)

Experimentele toepassingen!

16

Quantum mechanisch

http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/schroedinger.html

W. Heisenberg(1901-1976)

E. Schrödinger(1898-1961)

m=0

MeV

kracht deeltje: foton

http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/schroedinger.html

17

Veel fotonen?

Frekwentie: 1000 MHz

Vermogen: 1 W

E=h71024 J

N=10+23/s

Golflengte: 500 nm

Vermogen: 50 W

E=h41019 J

N=10+20/s

Foton tellers:

• photomultiplier• photodiode

18

Sterke kernkracht

stabiliteit?

nieuwe kracht: sterke kernkracht

gmg=0 MeV

kracht deeltjes: gluonen

19

Zwakke kernkracht

sommige kernen zijn wel instabiel!

nieuwe kracht: zwakke kernkracht

kracht deeltjes: W, Z0 W, Z0

mW 80 GeV mZ 91 GeV

http://www.colorado.edu/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html

http://www.colorado.edu/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html

20

Sterke & zwakke kernkracht

nuclear weapons ( 1945)

nuclear power ( 1942)

nuclear medicine ( 19??)

food preservation ( 19??)Radio-chemical dating, mining, fire detectors, cancer treatment, ………

21

Krachten


Experimentele deeltjes fysica

1. Hoe detecteer je deeltjes?2. Hoe maak je elementaire

deeltjes?3. Wat meten we?


Hoe detecteer je deeltjes?

Ionisatie proces

• Energie meting• Spoor meting

25

Energie verlies geladen deeltjes

kernen elektronen

e

e

e

e

e

Gevolgen:

1. geladen deeltje verliest energie

2. detector materie geëxciteerd

© Els Koffeman

26

Voorbeelden detectie materialen

ionisatie

gas gevulde detectoren(b.v. Ar-CO2)

excitatie

scintillatie & fluorescentie(b.v. plastics, kristallen)

electron-gatparen

half geleider detectoren(b.v. Si, Ga, Ge en diamant)

27

Energie meting

Principe:

• energie verlies in materie• stop deeltje volledig• energie (E) meetbaar signaal (ionisatie, licht, …)

5 c

mdeeltjes richting

E/E1%

e

e

e

28

Impuls metingPrincipe:

• afbuiging spoor in B-veld• reconstrueer spoor• fit kromtestraal impuls P

tijd

signaal

0 ns 500 ns

P/P2%

10

cm

5 meter

30

Gebeurtenissen analyseren

e e

Z

0

??


Hoe maak je elementaire deeltjes?

In:• de cosmos• kern reakties• botsingsmachines

32

I. Gratis: vanuit de ruimte

33

II. Kern reacties: op aarde: kernsplitsing

in de zon: kernfusie

eeDHH

http://library.thinkquest.org/17940/texts/fission/fission.html

nBaKrnU 214292235

http://library.thinkquest.org/17940/texts/fission/fission.html

34

III. Botsingsmachines

http://www.colorado.edu/physics/2000/tv/moving_electrons.html


Wat meten we?

1. Verval van deeltjes (levensduur)

2. Verstrooiing van deeltjes

36

Verval (muon)

Situatie:

op tijdstip t=0: N(t=0)N0 deeltjes # dat vervalt tussen t en t+t N(t)

N(t=0) = N0 N(t) N(t)t

N(t) = N0et

<t> tN0etdt = 1/

ee

Opgaven:

1. Vind N(t)

2. Bereken de levensduur

37

e

Neutrino’s: spook deeltjes

-verval

R.P. Feynman(1918-1988)

ee

-verval

W

e

e

Feynmandiagram

38

-verval: de meting

ee

m/253 MeV

Elektron energie Muon levensduur

39

4He

4HeAu

Verstrooiing (4He+Au 4He+Au)

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford


De “Highlights”: historisch perspectief

1. anti-materie: e+ ontdekking2. ontdekking: een nieuw

quark3. de W en de Z0 deeltjes4. (het 6e quark: top)

41

e+ ontdekking (1932)

1930: P.A.M. Dirac voorspelt anti-materie1932: C.D. Anderson ontdekt e+

loden plaat

bellenvat

P.A.M. Dirac

(1902-1982)

C.D. Anderson

(1905-1991)

Waarom is dit een e+ spoor?

42

(1963)

ontdekking: een nieuw quark!

0

000, 0

e+e

0p

sss

43

0

0

?

1232 MeV

1385 MeV

1533 MeV

3. Veronderstel:a. mumd

b. massa’s combinaties met 0, 1 en 2 s-quarks gegeven

Wat is de voorspelde massa van de sss combinatie?

Deeltjes opgebouwd uit quarks

1680 MeV (dit is de )

Twee typen:

1. quark+anti-quark2. quark+quark+quark

Opgave:

1. Hoeveel combinaties met de drie quarks u,d,s te maken?

2. Rangschik ze naar # s-quarks

44

1e observaties W boson (1983)

pp WX W ee

45

Pre

cisi

Z0 b

oso

n

meti

ngen

eeZ0ee eeZ0

eeZ0 eeZ0qq

(1989-2000)

46

Hoe gevoelig is LEP? Heel gevoelig!

stand v/d maan:

deformeert aarde LEP omtrek LEP Ebundel

10 MeV

TGV:

elektrische stroom stroom in LEP LEP magneetveld LEP Ebundel

few MeV


De “hot issues”: toekomst perspectief

1. willekeur deeltjes massa’s

2. (hebben neutrino’s massa?)

3. (materie anti-materie)4. “big-bang” neutrino’s5. (de zwaartekracht?)6. (3 families?)7. (quantisatie van de

lading?)8. ...

48

Wanted: Higgs, het massa deeltje

Reward: Nobelprijs natuurkunde

ppXHHZZ

Zee, ,

49

Reward: Nobelprijs

natuurkunde

Wanted: oerknal neutrino’s

2.7 K fotons

1.9 K neutrino’

s? ?1 cm

1 cm3

100e


Hoe werkt de zon?

• Het kernfusie proces• Neutrino’s• Metingen v/d neutrino flux!

51

Zo werkt de zon dus niet!

L=150.000.000 km

R=700.000 km

M=21030 kg

R=7.000 km

Energie flux: op aarde: 1400 W/m2

Dus zon straalt uit: 4L21400 41026 W

?Zon is ongeveer 4.500.000.000 jaar oud!

Stel: zwaartekracht

Ezon GM2zon/Rzon 41040 Ws

41040/41026 30.000.000 jaar

Stel: benzine bom: C5H12+7O25CO2+6H2O

Ezon Mzon108 Ws 21038/41026 15.000 jaar

52

Einstein: E=mc2

uitStel, massa energie:

Ezon Mzonc2 21047 Ws 21047/41026 > 1000.000.000.000 jaar

aan

Realiteit:

kernfusieHH

H

H

M=4mH4.032

p n

n p

M=mHe4.003 1% efficiëntie; 10 miljard jaar!

M 0.029mp 0.028 MeV

53

MeV 25 ~ e2 2e 4 4 Hep

H

H

n

p

e e

1H + 1H 2H + ee+ p

H

n

p

foton

1H + 2H 3He + p n

n p

H

H

3He + 3He 4He + 21H

d

H

H

u

d

e e

H

u

d

foton

1H + 1H 2H + ee+

http://www.astronomynotes.com/starsun/s3.htm

1400 W/m2 cmνmiljard70νMeV25

cmeV/s/1092 2

ee

217

s/

91017 eV/s/cm2

http://www.astronomynotes.com/starsun/s3.htm

54

Neutrino detectie:

W

Typisch:

“lab” systeem veel materiaal “tel” experiment

geladen (W) stroom

gebeurtenis

W+

u

d

55

neutrale (Z0) stroom

gebeurtenis

Z0

e

e

e

Neutrino detectie: Z0

56

Neutrino’s van de zon MeV 25 ~ e2 2e 4 4 Hep

106 jaar

e

8 min

57

Aantal neutrino interacties

40 m

40 m

# e/dag:

(65109) (360024) (20002) 71022 e/dag

e /s/cm2 sec/dag cm2

# e/cm2 die e’s “zien”:

(4/0.018) (61023) 18 2.41027 e/cm2

Mol H2O Avogadro e/H2O

Natuurkunde: kans op ee ee interactie!

(2.41027) (71022) 1043 200 interacties/dag

e/cm2 e/dag kans cm2

Efficiëntie v/d detektor: varieert tussen de 0.01% en de 100%

58

Homestake

Methode:

• tank: 615 ton schoonmaak middel• typisch 1 37Cl 37Ar per dag• 37Ar isoleer je chemisch• tel radio-actieve 37Ar vervallen

e + 37Cl e + 37Ar

p nee + +

59

Super-Kamiokande

e + e e + e ee + +e e

rate

(zon,e)

e

60

Sudbury Neutrino Observatory

62

Het goede nieuws:Het goede nieuws:

Er komen neutrino’s v/d Er komen neutrino’s v/d zon! zon!

Het slechte nieuws:Het slechte nieuws:

Er zijn er te weinig! Er zijn er te weinig! Verklaring:Verklaring:

Onderweg veranderen elektron neutrino’s van Onderweg veranderen elektron neutrino’s van identiteit d.w.z. bijvoorbeeld identiteit d.w.z. bijvoorbeeld ee ! !

63

En het En het allerleukste van allerleukste van

dit alles?dit alles?

Er zelf aan mee Er zelf aan mee onderzoeken!onderzoeken!

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Welkom 10:15 - 11:00 Deeltjes fysica I 11:15 – 12:00...

Documents

Transcript of F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Welkom 10:15 - 11:00 Deeltjes fysica I 11:15 – 12:00...