De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

RAADSELS VAN DE NATUURKUNDE Ronald Westra Dep. Mathematics Maastricht UniversityOktober 20, 2005.

Verwante presentaties


Presentatie over: "RAADSELS VAN DE NATUURKUNDE Ronald Westra Dep. Mathematics Maastricht UniversityOktober 20, 2005."— Transcript van de presentatie:

1 RAADSELS VAN DE NATUURKUNDE Ronald Westra Dep. Mathematics Maastricht UniversityOktober 20, 2005

2 NU BESCHIKBAAR: alle lectures op:

3 Deel 5 Het Standaard Model

4 CPART V IInhoud 1. VEEL-DEELTJES QUANTUM MECHANIKA EN QFT 2. DE ELEMENTAIRE-DEELTJES JUNGLE 3. SOORTEN KRACHTEN EN DEELTJES 4. HET STANDAARDMODEL 5. PROBLEMEN VAN HET STANDAARD MODEL

5 Relativiteitstheorie is ongeveer het werk van een man Albert Einstein,

6 Quantum Mechanika heeft al vele vaders en een moeder

7 CERN: meer dan 1000 research teams Modern Natuurkundig Onderzoek telt duizenden onderzoekers …

8 TheorieExperiment Planck, Einstein: quantum Bohr, de Broglie : 1ste QM Schrodinger, Pauli, Heisenberg: 2de QM Dirac, Fermi, Bose, Einstein: veeldeeltjes- QM+Q veldentheorie Verklaring spectra, etc, etc, etc, … ? ontdekking neutron, neutrono, positron, muon, … ? fotoelectrisch effect UV catastrofe Voorspelling positron

9 Ontwikkeling van de theorie: een rode lijn Quantummechanika: QM (Bohr) QM (Schrodinger) Quantum-veldentheorie QFT (Dirac, …) Quantum Electro-dynamica QED Quantum Chromo-dynamica QCD (= Standaard Model)

10 VEEL-DEELTJES QUANTUM MECHANIKA EN QUANTUM- VELDENTHEORIEEN (QFT)

11 Van een deeltje naar veel deeltjes De Schrödinger vergelijking beschrijft de dynamika van een deeltje: In de echte wereld gaat het echter om interacties tussen vele deeltjes. Al snel werd duidelijk dat de beschrijving van veel deeltjes systemen met de Schrödinger-vergelijking grote mathematische problemen gaf.

12 Quantum theorie van veeldeeltjes systemen De Quantum-theorie van veel-deeltjes systemen is mathematisch erg complex: * hoe moeten de individuele golf-functies gecombineerd worden? (NP-hard) * de interacties moeten per combinatie gespecificeerd worden.

13 Inmiddels werd uit zowel theorie als experiment duidelijk dat er andere eisen aan de beschrijving van elementaire deeltjes gesteld moeten worden Combinatie van de de golffuncties van meerdere deeltjes bleek namelijk statistisch op uitsluitend twee manieren te kunnen: * de manier van de Bose en Einstein statistiek BOSONEN (bv photonen) * de manier van Fermi en Dirac FERMIONEN (bv elektronen) Quantum theorie van veeldeeltjes systemen

14 Quantum-veldentheorie Dit kan gezien worden als de eerste stap naar de Quantum theorie van veeldeeltjes systemen De feitelijke geboorte van de QFT (Quantum Field Theory) geschiedde echter in 1928 en de geestelijk vader is...

15 Paul Dirac Nobelprijs 1933

16 Net zoals de vergelijking: x 2 =4 twee verschillende oplossingen toe staat: ( x=2 of x=-2 ), zo staat ook Dirac's vergelijking twee verschillende oplossingen toe; eentje voor het normale elektron met positieve energie, en eentje voor een ‘elektron’ met negatieve energie. Dirac gaf hier een veel ruimere betekenis aan: voor elk deeltje bestaat er een overeenkomstig deeltje, geheel identiek maar met tegengestelde lading. Voor het elektron is dit "antielektron" het positron in alle opzichten identiek, alleen met een positieve electrische lading.

17 De (relativistische) Dirac vergelijking voor het elektron/positron De Dirac-zee: positieve en negatieve oplossingen Interpretatie Dirac: Het elektron/positron paar

18 1928: Voorspelling van het anti-deeltje van het elektron: het positron 1934: Waarneming van het positron

19 Quantum Veldentheorie Hoe? Tweede kwantisatie: van ruimte en tijd Kwantisatie van de velden (bv EM) maar ook de interacties tussen deeltjes Zo ontstaat een theorie voor veel-deeltjes-systemen De interactie tussen de deeltjes geschiedt eveneens door … deeltjes

20 ANTIMATERIE

21 1928 Dirac introduceert ‘antimaterie’ 1932 antielectronen (positronen) gevonden in de omzetting van energie in materie 1995 anti-waterstof bestaande uit antiprotonen en positronen gemaakt in CERN In principe kan een antiwereld gebouwd worden van antimaterie In werkelijkheid wordt antimaterie alleen geproduceerd in versnellers en kosmische straling Geschiedenis van de Antimaterie

22 Als bosonen vervallen in deeltjes worden gelijke hoeveelheden materie en antimaterie gevormd (?)

23 Antimaterie bestaat niet in de vrije natuur (?) Het zal direct annihileren met materie en energie vormen …

24 DE ELEMENTAIRE DEELTJES JUNGLE

25 Vragen in de Deeltjes-fysica : Wat zijn de elementaire bouwstenen van de materie? Welke krachtvelden bepalen het gedrag op de kleinste schaal?

26 DE QUEESTE NAAR HET ELEMENTAIRE DEELTJE Oude Grieken: aarde, lucht, vuur, water 1900, ongeveer 100 chemische elementen 1936, terug naar drie elementaire deeltjes: proton, neutron, electron

27 De explosie van ‘elementaire’ deeltjes in de periode In 1936 waren er drie elementaire deeltjes: proton, neutron, en het elektron Men dacht hiermee de bouwstenen van de materie te kennen Echter werden daarna het ene na het andere ‘elementaire’ deeltje gevonden tot zo’n honderd in 1960 Men sprak wel van de deeltjes-dierentuin of deeltjes-jungle:

28 History of Constituents of Matter AD

29 Ancient timesPeople think that earth, air, fire, and water are the fundamental elements. 1802Dalton’s Atomic theory began forming. 1897J. J. Thompson discovered the electron. 1911Rutherford discovered positive nucleus. 1930Pauli invented the neutrino particle. 1932James Chadwick discovered the neutron. 1937The muon was discovered by J. C. Street and E. C. Stevenson. 1956First discovery of the neutrino by an experiment: the electron neutrino. 1962Discovery of an other type of neutrino: the muon neutrino. 1969Friedman, Kendall, and Taylor found the first evidence of quarks. 1974The charmed quark was observed. 1976The tau lepton was discovered at SPEAR. 1977Experimenters found proof of the bottom quark. 1983Carlo Rubbia and Simon Van der Meer discovered the W and Z bosons. 1991LEP experiments show that there are only three light neutrinos. 1995The top quark was found at Fermilab. 1998Neutrino oscillations may have been seen in LSND and Super-Kamiokande. 2000The tau neutrino was observed at Fermilab. 2003A Five-Quark State has been discovered Historisch overzicht …

30                De “Deeltjes Zoo !”

31 Wanneer is een deeltje “elementair”? Een deeltje is elementair als het geen inwendige structuur heeft – dus niet is opgebouwd uit kleinere deeltjes …

32 2. Welke deeltjes werden ooit als ‘elementair’ beschouwd? Oudheid : Vier elementen. Vruchteloze poging naar een atomistische theorie in de vijfde eeuw voor jaartelling (Demokritos). 18 de eeuw : Lavoisier en Dalton valideren experimenteel de (chemische) atoom structuur : Mendelejev stelt het “Periodiek Systeem der Elementen” voor, dat toen 63 atomen bevatte. De “lege vakjes” werden gauw gevuld. In 1896, waren er al 77 elementen ontdekt, die allen als ‘elementair’ golden : Ontdekking van het eerste subatomaire deeltje door J.J Thompson : het elektron. Meteen begint de speurtocht naar een positief-geladen tegenhanger … 1911 : Rutherford ontdekt de atoomkern. Transmutatie-reacties tonen aan dat de waterstof-kern een belangrijke rol speelt ( 4 2 He N → 18 9 F → 17 8 O p). Rutherford noemt het proton (protos = eerste)

33 1932 : Chadwick ontdekt het neutron, dat geisoleerd niet stabiel blijkt te zijn : n  p + e - (+ ¯ν e ). Het trio {proton, elektron, neutron} bepaalt de atomaire strukturen van alle elementen in het Heelal. Dit was de “simpelste” elementaire deeltjes-verzameling ooit. Een klein aantal deeltjes en een klein aantal interacties. LEPTON (leptos = licht) : e - BARYONS (baryos = zwaar) : p, n

34 Echter, er waren meteen al enkele problemen ; 1. Het photon : Photoelectrisch effect ; Compton verstrooiing. 2. Anti-deeltjes : De ontdekking van het positron door Anderson (1932) in kosmische straling. Nog veel meer elementaire deeltjes zouden ontdekt in kosmische straling worden … 3. Mesonen : Deze deeltjes werden eerst voorspeld door Yukawa (1935) vanwege de sterke kracht die de atoom- kern bijeen houdt. Omdat ze van middelbare massa waren werden ze mesonen gedoopt (mesos = midden). 4. Neutrinos : Noodzakelijk om de energie te behouden bij het van β verval (= elektron-verval)

35 Van de deeltjes tuin naar de deeltjes jungle: In 1937 ontdekte Anderson het muon μ. Het μ bleek een soort zwaar electron (lepton) te zijn. I.I Rabi, Nobel 1944 Het muon vervalt in een β-deeltje (= electron) als: μ + ν μ → e - +¯ν e In 1947 werden pionen (mesonen) ontdekt in cosmische straling. Men dacht dat het de ‘dragers’ van de ‘sterke wisselwerking’ waren die de Japanner Yukawa’s had voorspeld. Het heelal leek weer in orde – behalve dan het muon – maar dat speelde toch geen zichtbare rol. MAAR: eind 1947 werden weer nieuwe mesonen gevonden : de kaons. Zo werd het toch weer druk in de deeltjestuin… In de 50’er jaren werden met de nieuwe deeltjesversnellers vele nieuwe deeltjes gevonden. Sommige daarvan waren ‘raar’ (= strange) omdat ze ontstonden uit de sterke wisselwerking, maar vevielen via de zwakker wiselwerking.

36 Nog erger: er ontbrak inzicht waarom sommige verval- pocessen wel en andere niet mogelijk waren : Waarom is π - + p +  K + + Σ - wel mogelijk, en π - + p +  K 0 + n niet ? In 1953, kwamen Gell-Mann en Nishijima met een simpel en elegant idee. Elk deeltje heeft een zekere «strangeness » (vreemdheid), en de totale strangeness in een botsing is behouden (net als energie en impuls). Dit gaf DRIE behoudswetten voor deeltjes-identiteit in interacties : Lading Baryon getal (proton-achtige deeltjes) ‘Strangeness’

37 Toch waren er in 1960 al tientallen “elementaire deeltjes”, en wel pion-achtig (mesonen) of proton- achtig (baryons). Baryonen zijn gevoelig voor de sterke wisselwerking, maar mesonen niet. Elk type kan strange of niet- strange zijn. In 1955, Willis Lamb bij aanvaarding van zijn Nobelprijs: “maybe physicists discovering a new particle ought to be fined $”

38 Er was een grote behoefte aan vereenvoudiging. In 1961 bracht Murray Gell Mann deze vereenvoudiging aan. Hij deed daarmee net als Mendelejev honderd jaar eerder. Het ‘Periodieke Systeem’ van Gell Mann is bekend als …

39

40 HET QUARK MODEL

41 De 8-voudige weg: Het Baryon Octet np Σ+Σ+ Ξ0Ξ0 Ξ-Ξ- Σ-Σ- Σ 0 ; Λ S=0 S=-1 S=-2 Q=0 Q=1 Q=-1

42 De 8-voudige weg: Het Meson Octet K0K0 K+K+ π+π+ ¯K0¯K0 K-K- Π-Π- π 0 ; η S=1 S= 0 S= 1 Q=0 Q=1 Q=-1

43 Het Quark Model (1964) u d ¯u¯u¯d¯d s ¯s¯s S=0 S=-1 S=1 Q=2/3 Q=-1/3 Q=-2/3 Q=-1/3

44 James Joyce Murray Gell-Mann De oorsprong van het woord Quark

45 Quarks zijn de fundamentele bouwstenen van baryonen en mesonen.

46 De zes types quarks: twee soorten in drie generaties

47

48 Hadronen, Baryonen, Mesonen Een hadron is geen elementair deeltje maar bestaat uit quarks en antiquarks en gluonen. Het gluon draagt de kleur-kracht de de quarks samen houdt Gewone quantum getallen: spin, pariteit, C-pariteit, massa. Flavour quantum getallen: isospin, strangeness, etc. Hadrons bestaan in twee klassen: Baryons zijn fermion. met baryon getal B=1 proton, neutron), Mesons zijn bosonen met B=0.

49 Quantum chromodynamika

50 Quark Hypothese Mesonen zijn gebonden quark-antiquark states : π + is u - d. Baryonen zijn gebonden states van drie quarks: p is uud. Het quarks-model werd bevestigd door de ontdekking in 1964 van het Ω - sss baryon met strangeness -3. Het bestaan van quarks als deeltjes is experimenteel bevestigd door Rutherford- achtige experimenten bij SLAC in 1968 (Friedman, Kendall, Taylor). Samen met de leptonen en de ‘vector-bosonen’ (=lijmdeeltjes) zijn de quarks de ‘elementaire’ deeltjes van vandaag.

51 3. Weer nieuwe deeltjes, maar nu met orde en symmetrie... Quark-dynamika is nu bekend, met 8 photon-achtige lijmdeeltjes : de gluonen. Na enkele rustige jaren was er de November Revolutie van 1974 toen een nieuwe quark (charm quark) werd ontdekt door de ontdekking van een nieuw meson J/ψ meson (c - c). In 1975 werd het Τ-lepton ontdekt. In 1977 het Υ-meson (b ¯b) dat aanleiding gaf tot het bottom quark. In 1983 werden de lijmdeeltjes voor de zwakke wisselwerking ontdekt bij CERN : W +- en Z 0 bosonen De symmetrie van zes quarks en zes leptonen was compleet met de ontdkking van het top quark in 1995.

52 Ontdekking van het Top quark (1995)

53 Elementaire deeltjes vandaag

54 HET STANDAARD MODEL

55 Ontdekkers van het Standaard Model 1. De Nobelprijs winnaars 1979 Nobel Prize-- GLASHOW, SALAM and WEINBERG the theory of the unified weak and electromagnetic interaction Nobel Prize-- RUBBIA and VAN DER MEER the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction.

56 2. Question: What is Standard Model?

57

58

59 KLEUR-BEHOUD

60 Quantum chromodynamika Quantum chromodynamika (QCD) is de theorie van de sterke wisselwerking. Het beschrijft de interacties van quarks en gluonen in de vorm van een QFT (quantum field theory). QCD is een belangrijk onderdeel van het standaard model. Er is nu een ruime hoeveelheid experimenteel bewijs voor de QCD.

61 Quantum chromodynamika QCD heeft twee bijzondere eigenschappen: Asymptotische vrijheid: bij zeer hoge energieen bemerken quarks en gluonen elkaar nauwelijks. Voorspeld vanuit QCD en in 1970 gevonden door Politzer, Wilczek, en Gross: Nobelprijs Quark-confinement: De kracht tussen quarks neemt niet af bij onderlinge verwijdering. Daarom zou het een oneindige hoeveelheid energie kosten om twee quarks te scheiden. Ze zijn voor eeuwig gebonden in hadronen (bv proton en neutron). Dit is experimenteel nog niet bewezen, maar een goede verklaring waarom er geen vrije quarks worden waargenomen.

62 Quantum chromodynamika Quarks are massive spin-1/2 fermions which carry a color charge whose gauging is the content of QCD. Quarks are represented by Dirac fields in the fundamental representation 3 of the gauge group SU(3). They also carry electric charge (either -1/3 or 2/3) and participate in weak interactions as part of isospin doublets. They carry global quantum numbers including the baryon number, which is 1/3 for each quark, hypercharge and one of the flavor quantum numbers. Gluons are spin-1 bosons which also carry color charges, since they lie in the adjoint representation 8 of SU(3). They have no electric charge, do not participate in the weak interactions, and have no flavor. They lie in the singlet representation 1 of all these symmetry groups. Every quark has its own antiquark. The charge of each antiquark is exactly the opposite of the corresponding quark.

63 Quantum chromodynamika Behoud van kleur in een meson blauwe quark antiblauwe quark rode quark antiblauwe quark Blauw-antirood gluon rode quark antirode quark

64 VACUUM-FLUCTUATIES

65 VACUUM FLUCTUATIES Quantum field theory beschouwt de vacuum ground state niet als volledig leeg, maar als een broeiende massa van virtuele deeltjes en velden. Omdat deze slechts ‘even’ bestaan (Heisenberg!) heten ze vacuum fluctuaties. In het Casimir effect, veranderen twee metalen platen de vacuum energy dichtheid en dat geeft een meetbaar effect! Is er een verband tussen de vacuum energie en de "dark energy" (quintessence, antigravity) of de cosmologische constante in de algemene relativiteitstheorie?

66 Hendrik Casimir ( ) Beschouw twee parallelle spiegels in vacuum. De fluctuaties in het vacuum oefenen een “stralingsdruk" op de platen. Gemiddeld is de uitwendige druk (rood) groter dan de inwendige druk (groen). Beide spiegels trekken elkaar aan met de Casimir kracht F ~ hA/d 4, met A de oppervlakte en d de afstand van de platen. Het is een quantum-effect, want het verdwijnt als h → 0

67 Het Casimir effect kan experimenteel goed gemeten worden …

68 DE FUNDAMENTELE WISSELWERKINGEN

69 Ordegrootte van afstanden

70 De vier fundamentele wisselwerkingen

71

72 5. PROBLEMEN MET HET STANDAARD MODEL

73 PROBLEMEN MET HET STANDAARD MODEL Hoewel het Standaard Model een groot succes is in het verklaren van experimentele waarnemingen, is het nooit als copmplete theorie van de elementaire natuurkunde geaccepteerd. Dit is omdat het twee serioeuze tekortkomingen heeft: 1.Het model heeft 19 vrije prameters, zoals de deeltjes- massa’s en nog 10 voor de neutrino-massa’s. Deze parameters kunnen alleen experimenteel bepaald worden. 2.In het standaardmodel ontbreekt de zwaartekracht.

74

75 + +

76

77 CERN LEP APPLET

78 3. Science needs advanced technology and vice versa How to Obtain Particles Accelerator

79 Modern DetectorsBubble Chamber

80 The ATLAS Level-1 Trigger Triggering The ATLAS Level-2 Trigger

81

82

83

84 Volgende keer: GUTs en TOEs


Download ppt "RAADSELS VAN DE NATUURKUNDE Ronald Westra Dep. Mathematics Maastricht UniversityOktober 20, 2005."

Verwante presentaties


Ads door Google