Sporen van deeltjes

E.J. Klesser, K. Akrikez, F. de Wit, F. Bergisch, J. v. Reisen

Een deels bestaande PowerPointpresentatie voor de cursus in de aandacht gebracht cq bewerkt door:

Het onderzoek naar elementaire deeltjesEen introductie

Elementaire deeltjes: wij denken dat ze niet uit nog kleinere eenheden zijn opgebouwd. 

Wij kennen moleculen en atomen:Moleculen opgebouwd uit atomen  chemische binding

Atomen geen massieve knikkers, maar een interne structuur  kern + elektronenwolk

Chemische eigenschappen worden bepaald door de structuur van elektronenwolk (denk aan het schillenmodel)

Atoomkern is opgebouwd uit protonen en neutronen

Zit er ook een bepaalde structuur in een kern? Waarom blijven die p’s en n’s bij elkaar?

Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit nog kleinere elementen: uitdaging!

Hoe kan je zulke kleine deeltjes onderzoeken? Wat kan je zien? Er zijn hulpmiddelen nodig om deze zaken zichtbaar te maken: een van de bekendste is het Wilsonvat bij het practicum ioniserende straling.

Wilsonvat: er ontstaat een condensatie‐spoor waardoor de baan van de ioniserende straling zichtbaar wordt. Laat de straling door een elektrisch of een magnetisch veld beïnvloed worden en er blijken drie soorten straling uit de kern te kunnen ontsnappen (α, β, en γ).De  lading bepaalt de richtingsafwijking die de stralen krijgen.

Straling komt niet alleen van  radioactieve stoffen, ook uit de ruimte (kosmos). Niet alleen α, β en γ. 

Een heel nieuw onderzoeksgebied gaat open: de elementaire deeltjesfysica

NEVELKAMER, WILSON (1912)

Onderkoelde alcohol gebruikt ionisatie sporen als condensatie kernen ! Dit levert de strepen op⋯

Bekijk het filmpje 

Najaar 2007 10

De ontdekking van antimaterie

Anderson (1932) ontdekte het door Dirac voorspelde positron

23 MeV/c

6 mm leadB = 1.5 T

C. Anderson 1936

Nieuwe detectiemethoden zijn nodig. Van kleine prototypes naar oversized apparaten.

Een positief elektron wordt ontdekt. Zijn er nog meer? Zit er een bepaalde opbouw in?

Meer onderzoek, nog grotere opstellingen.Veel ingewikkelder sporen: er zijn veel meer deeltjes. 

Bellenvat, Glaser (1952)

1960

Deeltjessporen 6 ‐ Botsingen 

Deeltjessporen 5 ‐ Bellenvat 

Botsingsexperimenten laten zien dat protonen en neutronen inderdaad een interne structuur hebben.

Computeranalyse helpt het handwerk. Protonen en neutronen zijn o.a. opgebouwd uit quarks.

QUARKS?

In een plaatje:

Deeltjesfysica…

ondeelbaar

ondeelbaar

…klein‐kleiner‐kleinst…

Elementaire bouwstenen 

Quarks

Leptonen

2/3

-1/3

0

‐1

Proton:   u + u + d   quarkNeutron: u + d + d   quark

Koolstof:   18 u18 d6 e‐

Einstein: Massa en energie zijn gelijkwaardig 

Massa kan in energie veranderen en energie in massa

Onderzoek leert dat er wel aan een paar voorwaarden moet worden voldaan (de zgbehoudswetten)

E=mc2Bundeling van energie kanovergaan in materie

Albert Einstein

e+e

In het Bellenvat zijn deze sporen terugte vinden:

Botsingsexperimentsinaasappel

anti-sinaasappelcreatie

Botsing materie en anti‐materie geeft louter energiedie wordt omgezet in nieuwe materie 

Botsingsexperimentbanaan

anti-banaancreatie

Botsing materie en anti‐materie geeft louter energiedie wordt omgezet in nieuwe materie 

Nog meer bouwstenen 

Quarks

Leptonen

2/3

-1/3

0

‐1

1e familie 2e familie 3e familie

2/3

-1/3

0

‐1

Waarom 3 families?Zijn er meer?

Deeltjes bouwen met 3 (Baryonen) of 2 (Mesonen) quarks: 

Behoudswetten:1. Behoud van impuls.2. Behoud van lading.3. Behoud van quarkgetal.4. Behoud van leptongetal.De kleurlading moet ‘wit’ zijn.

R

GB

G B

R

De botsingsexperimenten worden gedaan met grote versnellers waardoor de deeltjes een enorme energie hebben als ze tegen elkaar aan botsen

Er ontstaat een “tussentoestand” die ook wel met de naam energiebel kan worden aangeduid

De totale energie‐inhoud bepaalt o.a. wat er kan gebeuren, welke (nieuwe) deeltjes gevormd zouden kunnen worden.

De resultaten moeten gedetecteerd worden. Als eerste waren er de bellenvaten, waarvan een paar opnamen nu volgen. Denk eraan dat er soms deeltjes gevormd worden die wel heel kort “leven”, soms zelfs onzichtbaar zijn.Het zijn  meestal heel ingewikkelde sporen. Op een bepaald gedeelte wordt de aandacht gelegd. Geprobeerd wordt dat stukje van de sporen middels een soort reactievergelijking te verklaren. 

π‐ +p→π° nn p→p p π⁻

Een Bellenvatfoto

Bekijk het volgende spoor…

π⁻ p→Σ⁻ K⁺Σ⁻→π⁻ nK⁺→π⁺ π°

Een μ⁻ heefttweemaaleeninteractiemetanderedeeltjesenvervaltvervolgensineenelektroneneenantineutrino:

e

Als je goed gekeken hebt ben je nu de volgende deeltjes tegengekomen:

ᴨ‐ ᴨ+  ᴨo  

μ‐ e‐ anti‐ν

K+ Σ‐

p en n

Dit zijn er 10 van de 61 die gevonden zijn.

Je hebt een aantal gebeurtenissen gezien:Foto1: Een pi‐min‐deeltje (ᴨ‐ ) botst op een proton (p), waarbij een ongeladen pi‐deeltje (ᴨo ) onstaat en een neutron (n) (beide onzichtbaar!). Het neutron botst even verderop ook op een proton, waarna 2 protonen en een pi‐min‐deeltje ontstaan.

Foto2:Een pi‐min‐deeltje botst op een proton en er onstaaneen sigma‐min‐deeltje(Σ‐ ) en een K‐plus‐deeltje (K+).(Waarom niet gewoon hetzelfde als in foto1?)Het sigma‐min‐deeltje valt uit elkaar in een pi‐min‐deeltje en een neutron.Het K‐plus‐deeltje valt uit elkaar in pi‐plus (ᴨ+)en een pi‐nul‐deeltje.

Foto3: Een muon(‐) (μ‐ ) botst twee keer en valt dan pas uit elkaar in een elektron(‐) (e‐ ) en een antineutrino.

Deze gebeurtenissen worden als sporen gemeten en dan komt het “grote” werk: wat stellen die sporen voor, hoe kan het verklaard worden. Voldoet de verklaring aan de behoudswetten?

Een prima overzicht met bijbehorende uitleg over detectiemethoden is te vinden op een (Engelstalige) site van CERN: 

http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2005/bubble_chambers/BCwebsite/

Bronvermelding:Met dank aan:

Na deze introductie, de doelen van de lessen elementaire deeltjes fysica:

Kennis van de deeltjes in het standaardmodel (alleen 1e generatie), 

Reactievergelijkingen voor kern‐ en deeltjes‐processen moeten opgesteld en begrepen kunnen worden door gebruik te maken van symmetrie en behouds‐wetten voor energie, elektrische lading en lepton‐ en baryongetal

Eenvoudige deeltjesinteracties moeten met behulp van (Feynman)diagrammen beschreven kunnen worden:paarcreatie, paarannihilatie, o.a. in de context van PET (Positron Emission Tomography);

Opgaven over de energie die vrijkomt bij kernfusie en kernsplijting moeten gemaakt en begrepen worden.Daarbij speelt kennis van kritische massa, kettingreactie, bindingsenergie, massadefect, kernreactor. 

Detectiemethoden van elementaire deeltjes kunnen beschrijven

Nu volgen een aantal mogelijke opgaven over bellenvatsporen

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PositronDiscovery.jpg

Het belang van de foto: een spoor van een positief geladen deeltje (volgt uit de afwijking in het magneetveld), dwars door een loden plaat,  dus geen α‐deeltje

1. Leg uit in welke richting  het deeltje gaat (van boven naar beneden of andersom)

2. Wat is de richting van B?3. Bereken de impuls van het deeltje aan de onderkant mbv p= L2QB/8s 

(L en s volgen uit de gebogen baan: L=koorde tussen eindpunten en s= afwijking naar de cirkelbaan)(Q= de lading van een 1+ deeltje in Coulomb en B=  0,8 Tesla.) 

4. Bereken de impuls aan de bovenkant en bepaal welk percentage bij de doorgang door  de  loden plaat is verdwenen

http://www.ikhebeenvraag.be/vraag/2510

Uit de tegengestelde kromming in het magneetveld blijkt dat……………………….

Bereken uit de beginkromming van de banen de impuls van beide deeltjes (B=0,5T). 

Bereken de minimale energie die het foton dus moet hebben gehad. Gebruik de rustmassa’s van de deeltjes.

Geef het diagram wat deze gebeurtenis beschrijft. Aan welke behoudswetten moet worden voldaan?

http://cbooth.staff.shef.ac.uk/phy6040det/bubble.html

Volg het spoor van onderaf: er vindt een botsing plaats waarbij naast 3 zichtbare en waarschijnlijk 2 in het bellenvat onzichtbare deeltjes worden gevormd.

Leg uit dat er waarschijnlijk een naar links gaand foton is ontstaan.

Leg uit waarom veel gekromde sporen opeens ophouden. Vaak ontstaat er ook een spiraalvormig spoor.

Bundel K‐ deeltjes in  waterstof‐bellenvat; herkennen van processen

‐ Wat is de bewegingsrichting  van de bundel?‐ In welk punt wordt een elektron door een langskomend K‐deeltje uit een atoom geslagen? ‐ In welk punt treedt een vervalsreacties  op  wat is de lading van het vervallen deeltje?

Bundel K‐ ‐deeltjes in  waterstof‐bellenvat; schatten levensduur

In punt  h is er interactie tussen een K‐ ‐deeltje en een proton. Hierbij ontstaat onder meer een neutraal deeltje dat vervalt in punt i.De breedte van de foto is ongeveer 21 cm.

Neem aan dat  alle deeltjes na de interactie  bij benadering bewegen met de lichtsnelheid.

‐ Maak een schatting van de levensduur van het deeltje dat bij h ontstaat en bij i vervalt,

‐ Leg uit of er bij i sprake is van zwak dan wel sterk verval.

Afbuiging t.g.v. magneetveld‐ Bepaal richting 

magneetveld op grond van de afbuiging van de elektronen.

‐ Leg uit waarom de elektronbanen spiraalvormig zijn.

Impulsbehoud

‐ Ga uit van inkomend neutraal deeltje met impuls 8,2 GeV/c in horizontale richting.

‐ Teken voor de situatie na het verval de impulsvectoren die in het interactiepunt raken aan de banen (gele pijlen).

‐ Gele pijlen zó tekenen, dat de vectorsom horizontaal loopt

‐ Daarna een ‘vertaalslag’ : uit de lengte van de rode pijl (= impuls inkomend deeltje = 8,2 GeV/c) volgt dan de lengte van de gele pijlen: 3,3 GeV/c en  5,7 GeV/c

Foto van een 8,25 GeV (K‐,p) experiment in het 2 m waterstof bellenvat (1970)‐ Bepaal richting magnetisch veld‐ Hoeveel deeltjes ontstaan er bij de botsing 

onderaan‐ Geef van elk deeltje de lading aan‐ Is er bij deze botsing voldaan aan behoud van 

lading?‐ Waar treedt een vervalsreactie op?‐ Hoeveel deeltjes ontstaan daarbij?‐ Geef van elk deeltje de lading aan

Foto van een 10 GeV (K‐,p) experiment in het 2 m waterstof bellenvatDe volgende reacties vinden plaats:Bij de onderste botsing:K‐ + p → Ω‐ + K+ + K+ + π‐

Het Ω‐ deeltje vervalt daarna als volgt:

Ω‐ → K‐ + Λ0

Tenslotte verval het Λ0 deeltje:

Λ0 → p + π‐

Over dit laatste verval, leg uit:‐ welke baan van p en welk van π‐ is,‐ dat de bewegingsrichting van Λ0 door 

de twee snijpunten van de banen van pen π‐ loopt

Letten op NiNa

• In  de syllabus: geen behoudswetten van quantumgetallen

• Geen impulsbehoudEchter:• p = m.v komt wél voor in Quantumwereld• Rekenen met vectoren is ook een eis (A12)• FL = Bqv is ook examenstof