Ivo van Vulpen

Nationaal instituut voor subatomaire fysica

Jullie interactie met Nikhef tot nu toe

1) In de media: afgelopen week i.v.m start-up LHC

2) Als IHEF docent (in order of appearance):

Stan Bentvelsen relativiteitstheorieMarcel Vreeswijk bachelorcoordinatorAuke-Pieter Colijn electromagnetisme & numnatIvo van Vulpen deeltjes fysica IPaul Kooijman deeltjesfysica I of IIJustus Koch deeltjesfyscia IIEls de Wolf mastercoordinatorWouter Verkerke honours programEric Laenen theorie

UvA

RuNUU

VU

FOM

UT

RUGUL

UDTU/e

Nikhef:“coordinatie (astro-)deeltjesfysica onderzoek in Nederland”

samenwerking met

250 mensen:

- 100 technici- 125 wetenschappers (55 promovendi)

7 onderzoeksgroepen

Theorie afdeling

Electr. en Mechanische werkplaatsen

Detector ontwikkeling

Computing (Grid)

Aujourd’hui:

1. (Astro-)deeltjesfysica in een notendop Waar doen we als Nikhef aan mee ?

2. Hoe kunnen jullie je steentje bijdragen ?

Natuurkunde“Krachten en deeltjes”

5/47

Zwaartekracht Electro-magnetisme “massa” “elektrische lading”

Newton

+

++

-

Maxwell

Structuur van atomen

10-10 m

De natuur op deze schaal (atoom) is niet te begrijpen met de ‘oude’ natuurwetten

Bijv: Waarom vallen de electronen niet in de kern ?

Atoom = kern met electronen eromheen

Newton

Maxwell

Einstein

Relativiteitstheorie

Quantum mechanica

Bohr

Zelfde krachten … nieuwe modellen

Kleiner en nauwkeuriger

10-10 m

10-15 m

De kern bestaat uit protonen en neutronen. Hoe kan dat ?

1] Positieve deeltjes stoten elkaar toch af

2] Wat houdt de neutrale deeltjes bij elkaar ?

2 nieuwe natuurkrachten: De zwakke en sterke kernkracht

proton neutron

down

up

Natuur opgebouwd uit maar 3 bouwstenen:

up-quarks, down quark en electron

up

down

downup

Deeltjes:

4) Zwaartekracht is een vreemde kracht: geen quantum theorie en veel zwakker dan andere krachten

e e

up charm Topdown strange Bottom

1) Electromagnetisch foton () 2) Zwakke kernkracht W+, W-, Z

3) Sterke kernkracht gluonen (8)

Krachten:Weinberg

Salam

Glashow

Huidige status

Martinus Veltman Gerard ‘t Hooft

Nu kunnen we er ook iets mee uitrekenen

12/47

“Alle metingen in deeltjesfysica worden in het SM verklaard”

“Het Higgs boson wordt zoals verwacht bij de LHC ontdekt”

Zeker niet waar … er zijn nog veel vragen over

Kan de zwaartekracht niet toetreden tot het Standaard Model ?

Wat is de oorsprong van de massa van de deeltjes ? (Higgs boson)

In hoeveel dimensies leven we eigenlijk ?

Hebben we nu echt de fundamentele elementaire deeltjes ?

Zijn er nieuwe symmetrieen in de natuur ?

Waarom zijn er slechts drie families van fermionen ?

Zijn protonen echt stabiel ?

Waarom is elektrische lading gequantiseerd ?

Waarom is er meer materie dan anti-materie in ons universum ?

Wat is die donkere materie en donkere energie ?

Exploderen quantumcorrecties bij nog hogere energieën ?

Waarom zijn de neutrino massa’s zo klein ?

Het Standaard Model en zijn mysteries:

1

2

3

Een van de problemen: Donkere materieEen van de problemen: Donkere materie

Draaien van clusters Temparatuurfluctuaties in heelal

Maar 4% van alles wat we zien in het heelal zijn atomen !Wat is de rest ???

Nieuwe modellen, nieuwe krachten ??

2 krachten Newton/Maxwell

2 krachten Einstein/ Bohr

4 krachtenStandaard Model

10-10 m 10-15 m 10-19 m

?

We gaan in 2008 kijken wat natuur voor ons in petto heeft

… en wiens model werkt

E. Verlinde L. Randall R. Dijkgraaf E. Witten

De LHC versneller

17/47

Quantum mechanica: deeltjes zijn ook golven

Deeltjes met hoge energie in deeltjesversneller microscoop voor afstanden kleiner dan een proton ~ 10-18 m

Röntgen Ultra Violet Infra rood

golflengteEnergie

10-11 m 10-6 m

Bijv: e

lectro

nen m

icros

coop

[1] kijken met licht

[2] kijken met deeltjes

De grootste miscoscoop op aardede ‘Large Hadron Collider’ (LHC)

op CERN bij Genève

Hoe groot is de LHC eigenlijk ?

Amsterdam

De CERN versneller-tunnel

27 km lang, 100 m onder de grond

De Tunnel

probleemsector

Aan het opwarmen

CERN press-release:

“re-start LHC in maart 2009”

De Large Hadron Collider (eigenschappen)

Door het oog van een naald en wachten op een botsing!

~ 3000 x 3000 100 miljard

7 TeV

10 miljoen sec-1

‘gewoon’ even uitrekenen wat je verwachtModel 1, 2, 3, …

Klopt het ?

DetectorenAlgemeen en Nikhef’s involvement

25/47

Het grootste fototoestel op aardede ‘ATLAS detector’

een persoon

Muon kamers

SCT

Een gat in de grond … ongeveer 100 meter diep

Oude LEP detector(1990 – 2000)

LHC detector

dwarsdoorsnede

Doorsnede van een LHC detector

impuls en lading geladen deeltjes

energiemeting electronen en fotonen

energiemeting hadron deeltjes (quarks)

detectie vanmuonen

Geladen deeltjes herkennen

Pixels 80.000.000 kanalen

Silicon Tracker (SCT) 6.000.000 kanalen

Transition Radiation Tracker (TRT) 300.000 kanalen

Pixel Detectors

Barrel SCT

Forward SCT

TRT

NIKHEF levert hoogwaardige technische expertise bij de opbouw op CERN

ATLAS SCT detector

NIKHEF bouwt deel van de ATLAS detector

SCT, Muon kamers, …

Astro-deeltjes

34/47

Ontdekking Kosmische stralen

Elektroscoop1890: observatie: verlies elektrische ladingverklaring: ioniserende straling – radioactiviteit

1907: Theodor Wulf [leraar uit Valkenburg]: elektroscoop in mergelgrot geen afnameelektroscoop op eifeltoren zelfde afname

1912: Victor HessExperiment: hete luchtbalon tot grote hoogteObservatie: Intensiteit neemt eerst af en boven 5 km neemt het weer toe

Buitenaardse oorsprongNobelprijs 1936

die Höhenstrahlung

Kosmische straling

Victor Hess: Nobelprize 1936

p

Ger

ard

van

der S

teen

hove

n

Ontdekking anti-materie, muonen, pionen

Flux

( m

2 sr

s G

eV)-1

Energy (eV)

Cygnus

-Quasar

Active GalacticNucleus

Energie Kosmische straling (welke deeltjes, hoeveel, welke energie)

Ger

ard

van

der S

teen

hove

n

1 deeltje /m2 per jaar

1 deeltje /km2 per jaar

1 deeltje /m2 per jaar

Pierre Auger experiment

1600 tanks, 1.5 km uit elkaar

Argentinie

Meten van zeer energetische deeltjes ‘shower’

p

Fotonen (): geabsorbeerd Protonen (p): afgebogen Neutrino’s (): DE BRON

Oorsprong kosmische stralen ?

Neutrino experimenten (Nikhef)

Ger

ard

van

der S

teen

hove

n

12 string ANTARES detector

Gerard van der Steenhoven

Junction box

Junction box

14.5 m

p

p

~60-75 m

Buoy

350 m

100 m

ANTARES detector

Ger

ard

van

der S

teen

hove

n

Nucleus

Neutrino Muon

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

Jullie rol

43/47

Mogelijkheden tot verdere kennismaking…

2e jaar:- Researchpracticum - start januari technisch- Deeltjesfysica I - start februari- Tweedejaars project - start juni groepjes

3e jaars:- Bachelorsproject - start april 8

weken- Deeltjesfysica II - start februari

Master: - Particle & Astroparticle Physics (track) 1+1 jaar

Voorbeelden

Research practicum:- ATLAS muon detector (data analyse)- Imaging van geladen sporen (R&D)

Tweedejaars project: -Dubbel Beta verval zonder Neutrino’s

Bachelor project:- Zoeken naar extra ruimte dimensies

Affiniteit met computing niet onbelangrijk

Voorlichtin

g volgt

nog

De master P&AP Theorie

• Deeltjesfysica: Standaard Model (QED, EW, QCD)• Astrodeeltjesfysica• Caput colleges (… Higgs mechanisme door mij)

Experiment• Fysica van deeltjesdetectie• Statistische data analyse• Caput colleges

Samenwerking• Mini-experiment• CERN summer student (restricted)

Onderzoek

Vragen:

Marcel Vreeswijk Bachelor coordinator Els de Wolf Master coordinator

Ivo.van.Vulpen@nikhef.nl

Backup

Wat hebben jullie met het Nikhef Wat hebben jullie met het Nikhef te maken ?te maken ?

Het IHEF instituut is deel van de Natuurkundefaculteit en deel van het Nikhef

IHEF (in order of appearance)Stan Bentvelsen (relativiteitstheorie)Marcel Vreeswijk (bachelorcoordinator)Auke Pieter Colijn (electromagnetisme & numnat)Ivo van Vulpen (deeltjes fysica I)Paul Kooijman (deeltjesfysica I of II)Justus Koch (deeltjesfyscia II)Els de Wolf (mastercoordinator)Wouter Verkerke (honours program)Eric Laenen (ook theorie)

Mogelijkheden tot verdere Mogelijkheden tot verdere kennismaking…kennismaking…

Tweedejaars Researchpracticum (start januari) Deeltjesfysica I (start februari) Tweedejaars project (start juni)

Derdejaars Bachelorsproject (start april) Deeltjesfysica II (start februari)

Master Particle & Astroparticle Physics (track)

VoorbeeldenVoorbeelden

Research practicum (zie rondleiding) ATLAS muon detector (data analyse) Imaging van geladen sporen (R&D)

Tweedejaars project Voorlichting volgt nog Dubbel Beta verval zonder Neutrino’s

Een neutron kan vervallen:

neutron proton

electron

neutrino

Radio-activiteit:

Strontium Yttrium + elektron + neutrino

38 + 52 39 + 51

radio-actieve straling

Nieuwe krachten/modellen geven nieuwinzicht in de begrip van de natuur:

Voorbeeld: de zwakke kernkracht.

Detectoren: … groot … groter … Pierre-Auger

Pierre-Auger observatorium: - op pampas in Argentinie - 1600 watertanks paar km uit elkaar - Totale opp. 3000 km2 ~ provincie Utrecht

Cherenkov detectoren

Fluorecentiedetectoren

Fluorecentie: - Stikstofatomen raken aangeslagen - Zenden bij verval licht uit

Cherenkov: Relativistische deeltjes door water zenden Cherenkov straling uit

Neutrino-detectoren

Groot: Antares / Amanda

Groter: KM3-net / Icecube

Voordeel: Neutrino’s wijzen terug naar bronNadeel: Kleine interactie neutrino’s

Detectie-principe: Te ‘zien’ via Cherenkov straling van muonen Grote detector nodig

Nucleus

Neutrino Muon

Verplichte vakken P&APVerplichte vakken P&AP Kernvakken:

- Particle Physics I, II (Standard Model) semester 1

- Astroparticle Physics- Particle Detection

Nikhef project

semester 2

Mini-experiment: Ontwerp en bouw deeltjesdetector, neem data en analyseer data, publiceerProject management

Keuzevakken P&APKeuzevakken P&AP Statistical Data Analysis Capita (3 EC):

• Neutrino physics• Beyond the Standard Model• CP violation• Non-perturbative QCD• Programming C++

Quantum Field Theory Particles and Fields General Relativity Cosmology High energy astrophysics

ITF

API

Nikhef