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

59
Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Transcript of Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur...

Page 1: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Niels Tuning (Nikhef)

Page 2: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Page 3: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 4: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Reis naar het allerkleinste…

Page 5: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 6: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

AstronomieAstronomie Deeltjes fysicaDeeltjes fysica

Page 7: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 8: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Page 9: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Waar bestaat het heelal uit?

Page 10: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Waar bestaat het heelal uit?

Page 11: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Waar bestaat het heelal uit?

0% ANTI MATTER

Slechts 4% is normale materie…

Page 12: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Wat is de donkere materie ?

Wat snappen we niet?

0% ANTI MATTER

Waar is deanti materie ?

Page 13: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Donkere energie??

Wat snappen we al helemaal niet??

0% ANTI MATTER

Page 14: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 15: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 16: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

De stand van zaken in november 2010

http:// pdg.lbl.gov

Page 17: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

up

down

elektron

De elementaire deeltjes

Proton

up

up

down

Neutrondown

down

up

Page 18: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen?

periodiek systeemvan Mendeleev

Alles!

Ook Middelburg

Page 19: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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!

Page 20: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

•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)

Page 21: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 22: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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)

Page 23: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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)

Page 24: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Hoe maak je anti-materie??

e+ e-

Albert Einstein: E=mc2

materie + antimaterie = licht !

(en vice versa)

e+ e-

Page 25: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Anti-materie in ziekenhuizen:de PET-scan

ee++ee

Page 26: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Wat snappen we nog niet:

Page 27: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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?

Page 28: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

I. “Anti-materie”

Waar is de anti-materie gebleven?

Geen anti-materie met satellieten

Geen anti-materie sterrenstelsels

Page 29: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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”

Page 30: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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”

Page 31: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Oudste foto: 380.000 jaar na de Big Bang

Page 32: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Rotatie-curves

data

R-0.5

Afstand tot centrum stelsel (kpc)

Sn

elh

eid

(km

/s)

Rotatie-snelheid sterren

II. “Donkere materie”

Page 33: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 34: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Wat snappen we niet?

Anti-materie??(waar is het gebleven)

Donkere materie??(wat klonterde de sterrenstelsels)

Page 35: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

AstronomieAstronomie Deeltjes fysicaDeeltjes fysica

Page 36: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Kijken zonder je ogen te gebruiken

Page 37: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

•Niels Tuning Open Dag 2008

Botsingen van Deeltjes

Page 38: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

I. Hoe onderzoeken we anti-materie: Detector

Page 39: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

I. Hoe onderzoeken we anti-materie

b

s

s

b

materie ↔ anti-materie

Page 40: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

II. Hoe ontdek je donkere materie: Detector

Page 41: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

II. Hoe ontdek je donkere materie?

proton

proton

quark

neutrino

elektron

quark quark

quark

Simulatie top quark productie

Page 42: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Normaal

II. Hoe ontdek je donkere materie?

Nieuw ?

?

geenbalans

muon

muon

Maak nieuwe deeltjes met energie! E=mc2

Page 43: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 44: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

EINDE

Page 45: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Backup slides

Page 46: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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.”

Page 47: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 48: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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!”

Page 49: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 50: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Wat is het nut van dit onderzoek?

Veel mensen zijn gewoonweg nieuwsgierig

Hoort bij de mens

– wat is het nut van kunst? religie?

Page 51: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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)

Page 52: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie”

Versnellers Meetapparatuur Kennis van deeltjes

1954: 1ste patient

1997: 22.000 patienten

Nu: 51.000 patienten

Page 53: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Before treatment

6 Weeks after carbon treatment with a dose of 60 Gye

Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie”

D.Schulz-Ertner et al.

Page 54: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Carbon en Proton Therapie in Europa

HIT – Heidelberg Ion beam Therapy

operational

under construction

planned

protons and ions

protons

Page 55: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 56: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Wat verwacht je ?

Al 30 jaar bestaan er precieze wiskundige voorspellingen!

Page 57: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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!

Page 58: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

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

Page 59: Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Wat snappen we niet?

Anti-materie??(waar is het gebleven)

Donkere materie??(wat klonterde de sterrenstelsels)