De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Grenzen aan het extreme kosmologie elementaire deeltjes leven-wetenschappen Groot, groter, grootst Klein, kleiner, kleinst Ed vd Heuvel ‘van oerknal.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Grenzen aan het extreme kosmologie elementaire deeltjes leven-wetenschappen Groot, groter, grootst Klein, kleiner, kleinst Ed vd Heuvel ‘van oerknal."— Transcript van de presentatie:

1

2

3 Grenzen aan het extreme kosmologie elementaire deeltjes leven-wetenschappen Groot, groter, grootst Klein, kleiner, kleinst Ed vd Heuvel ‘van oerknal tot uitdijend heelal’

4 Op weg naar de kleinste bouwstenen  De wereld van de elementaire deeltjes Hoe voelen die elkaars aanwezigheid?  De wereld van de elementaire krachten Nog kleiner? Nieuwe krachten?  De onbeantwoorde vragen van de wetenschap Hoe komen we meer te weten?  Deeltjesversnellers, botsingen met extreme energieën

5 Op weg naar de kleinste bouwstenen De elementaire deeltjes

6 De wereld om ons heen Schaal: Figuur heeft grootte van 1 meter

7 Klein… Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10 meter Oftewel 10 cm, m

8 Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/100 meter Oftewel 1 cm, m

9 Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/1000 meter Oftewel 1 mm, m Het vliegenoog is opgebouwd uit honderden ‘facetten’; het lijkt hiermee op een bijenkorf

10 Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10000 meter Oftewel 0.1 mm, m Elk ‘facet’ is een kleine lens met daaronder lichtgevoelige cellen.

11 Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/ meter Oftewel 10  m, m Tussen de facetten is een gevoelig haartje zichtbaar als sensor voor het oogoppervlak Dit is de orde van grootte waarmee ultieme precisie apparatuur wordt gemaakt; grootte van een cel

12 Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/ meter Oftewel 1  m, m

13 Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/ meter Oftewel 0.1  m, m Details van het celoppervlak zichtbaar gemaakt

14 Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/ meter Oftewel 0.01  m, m DNA molecuul in de kern van de cel. Het bevat al het genetische materiaal.

15 Het atoom: De kleinste eenheid van een element. Diameter van ongeveer 1/ m oftewel m Elektronen omcirkelen de atoomkern Verschillende atomen: Hebben een verschillende hoeveelheid elektronen. Hebben een verschillende atoomkern

16  Dan: elektronen in cirkel- banen ver buiten de stadsgrenzen! Het atoom is zo goed als leeg! Stel je maakt een model van een waterstof atoom  Kern (proton) als voetbal op middenstip Arena Elementair elektron:  Niet op te delen in kleinere delen! Diameter proton: 1/ m Oftewel m

17 Atoomkernen: protonen en neutronen Waterstof-kern 1 proton, geen neutronen + geladen Gas bij kamertemperatuur Helium-kern 2 proton en 2 neutronen, ++ geladen Gas bij kamertemperatuur Lithium-kern 3 proton en 4 neutronen, +++ geladen Vast bij kamertemp

18 Periodiek systeem van elementen Alle materialen, gassen, vloeistoffen opgebouwd uit deze ongeveer 100 ‘elementen’

19 De Litium atoomkern: Inzoomen in atoomkern Quarks ‘Quarks’ als fundamentele bouwstenen van protonen en neutronen. Er zijn verschillende typen quarks; er zitten drie quarks in zowel een proton als in een neutron

20

21 Elementaire spelers Quarks Leptonen 2/3 - 1/3 0 Proton: u + u + d quark, lading=1 Neutron: u + d + d quark, lading=0 Koolstof: 18 u 18 d 6 e - Elektrische lading

22 Veel deeltjes? Einstein heeft een relatie gevonden tussen massa en energie Hiermee kan energie worden omgezet in materie Zo zijn in laboratoria veel meer deeltjes ontdekt.  “gevonden” in laboratorium experimenten E=mc 2 A. Einstein ( )

23 Kosmische deeltjes: muonen (  ) Muonen lijken op elektronen, maar hebben een grotere massa. Ze worden bv gemaakt door straling uit de ruimte die tegen de aard-atmosfeer botst ‘Muon kamers’ van het ATLAS experiment bij NIKHEF

24 Materie en anti-materie Voor elk deeltje komt ook een corresponderend antideeltje voor in de natuur.  Anti-deeltje heeft precies dezelfde massa  Anti-deeltje heeft tegengestelde lading! Deeltje + anti-deeltje geeft pure energie  Energie gelijk aan E=mc 2 Pure energie kan deeltje + anti-deeltje creëren Dagelijkse kost in deeltjesversnellers: e+e   +  e+e  up+up

25 De elementaire bouwstenen Quarks Leptonen 2/3 - 1/3 0 1st generatie2nd generatie Anno 2005: De elementaire deeltjes bij elkaar 3rd generatie 2/3 - 1/3 0

26 Exotische naamgeving Quarks “Three quarks for Muster Mark!” – James Joyce, Finnigans wake  Verschillende typen gevonden Up Down Strange Charm Bottom Top Leptonen  Elektronen en hun zware partners (neutrino-deeltjes overgeslagen) Elektron Muon Tau Maken de atoomkernen: protonen en neutronen Eerste ‘vreemde’ quark; niet in gewone materie Gevonden in 1974 Gevonden in 1977 Gevonden in 1995 Gevonden in 1900 door JJ Thompson Gevonden in 1948 Gevonden in 1975 Alleen up+down quark en elektron in ‘dagelijkse materie’

27 Hoe voelen ze elkaar? De wereld van de elementaire krachten

28 Wat is een kracht? Met elke kracht wordt een ‘krachtdeeltje’ geassocieerd

29 Elektro-magnetische kracht Aantrekking en afstoting van elektrisch geladen deeltjes  Gelijke lading afstotend – ongelijke lading aantrekkend Veel dagelijkse krachten zijn hierop terug te voeren  Onderlinge aantrekking atomen  Stabiliteit materialen -  Spierkracht - Residu elektro-magnetische kracht in werking:  Elektronen en protonen trekken elkaar aan

30 Elektro-magnetisme Elektromagnetisme  Elektrisch geladen deeltjes  Uitwisselend kracht deeltje: fotonen,licht!  Fotonen schieten door het heelal heen fotonen/sec voor communicatie

31 Probleem met kernen Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen Protonen zijn (positief) elektrisch geladen Waarom blijven die bij elkaar ‘op een kluitje’ zitten?

32 Sterke kernkracht Superlijm voor quarks! Sterke wisselwerking  Bindt quarks bijeen  Uitwisselend krachtdeeltje: gluonen  Gluonen blijven dicht bij elkaar: werkt alleen op heel korte afstand

33 Bouwen met quarks De sterke wisselwerking aan het werk De natuur volgt strikte regels: alleen samenstelling drie quarks – of quark-anti-quark mogelijk ‘Broertjes& zusjes’ van protonen en neutronen! Speel lego met quarks

34 ‘Periodiek systeem’ van quarks Hoeveel samengestelde deeltjes kun je maken uit 3 quarks? (1963) De samengestelde deeltjes met u,d,s,c quarks zijn allemaal gevonden in botsingen

35 Radioaktiviteit Voor grote atoomkernen ‘houdt’ de sterke kracht de buitenste protonen en neutronen niet meer bijeen Er wordt een α-deeltje uitgezonden: De atoomkern is niet stabiel en valt uiteen  Hier komt een heleboel energie bij vrij  Maar het totale aantal protonen en neutronen blijft gelijk Twee protonen en neutronen minder α-deeltje: twee protonen en neutronen

36 Sporen van geladen deeltjes Glazen staafje met Americiumbron (halfwaardetijd 458 jaar) (indirekte) Rookmelder met het element Americium: Straalt α-deeltjes uit en die veroorzaken een kleine stroom. Bij rook worden de α-deeltjes geblokkeerd en de stroom stopt. Op dat moment gaat de sirene af

37 Nog een kernkracht! Quarks en leptonen kunnen vervallen: dwz: zij veranderen van type  Bv top-quark vervalt in bottom quark etc… Quarks en leptonen met grote massa vallen uiteen in quarks en leptonen met kleinere massa  Het verschil in massa wordt omgezet in energie via E=mc 2 Hierdoor zijn alleen elektron en proton (met uud quarks) stabiel  alle andere (uit andere ‘families’) niet. neutron  proton+elektron (+neutrino) Verval van een neutron. Zwakke kernkracht

38 De zwakke kernkracht De krachtdeeltjes worden W +, W - en Z 0 deeltjes genoemd  Dit zijn krachtdeeltjes die ook zelf een massa hebben – ongeveer 100 maal de massa van een proton!  Ontdekt in 1983 in Geneve (nobel prijs oa naar Simon van der Meer) pp  W  X W   e  e

39 Sterke & zwakke kernkracht nuclear wapens (  1945) geneeskunde (  19??) Radio-chemische datering, kanker behandeling, ……… Energie uit kernfusie Branden van de zon

40 Samenvatting wisselwerkingen 4 basis typen wisselwerkingen ‘Standaard Model’ 1 type beschrijving (quantumvelden ijktheorieen)

41 Nog kleiner? Nieuwe krachten? De onbeantwoorde vragen van de wetenschap

42 Elementaire spelers Quarks Leptonen 2/3 - 1/3 0 1st generatie2nd generatie Zijn deze quarks echt elementair?? 3rd generatie 2/3 - 1/3 0 Waarom 3 families? Zijn er meer?

43 Status van het Standaard Model Veel succes met het Standaard Model  Prima beschrijving van alle typen botsingen  Nobel prijs (1999) naar Gerard ‘t Hooft en Martinus Veltman Onderliggende wiskundige structuur Maar er mist iets:  Het ‘Standaard Model’ voorspelt het bestaan van het Higgs deeltje. Maar dit deeltje is nog nooit waargenomen. Maar het is onvolledig:  Het Standaard model beschrijft niet de zwaartekracht. En er zit ‘estetisch’ iets scheef  Het Standaard model heeft (te) veel ad hoc parameters nodig – is er een eenvoudiger diepere structuur?

44 De grote vragen Veel vragen blijven onbeantwoord Zijn quarks en leptonen echt elementair ? Waarom zijn er 3 families ? Zijn er meer ? Waarom leven we in een wereld van materie, en niet van antimaterie? Is het Standaard Model de ultieme theorie? Wat is verband tussen kracht deeltjes en materie deeltjes? Worden de krachten geünificeerd? Speelt snaar-theorie een rol? Fascinerende en merkwaardige theorieën: Hoeveel dimensies bestaan er werkelijk? Wat is donkere materie? Onverwachte processen?

45 Hoe komen we meer te weten? Botsingen in deeltjesversnellers

46 Verstrooiings-experimenten Verstrooiing ‘zachte’ kern Een aardbei Verstrooiing ‘harde’ kern Een aardbei met pit Dit soort verstrooings-experimenten onthullen de interne structuur Gereedschap voor het bestuderen van materie op kleinst nivo

47 Resolutie van een microscoop Bekogel in het donker een onbekend voorwerp. Wat is het?  Gooien met grote voetballen geeft lage resolutie  Gooien met kleine knikkers geeft hoge resolutie ‘Resolutie’ hangt af van energie van de botsingen  Hoe hoger de energie van de botsing Hoe beter de ‘scherpte’ om het voorwerp te ‘zien’.

48 Grote versnellers Versneller - laboratoria in de wereld:  Bv CERN (Geneve) ~zichtbaar licht cyclotron grote versnellers TV versnelt elektronen tot energie van volt = GeV

49 De ultieme versneller: Large Hadron Collider ( ??)

50 De meetopstelling De versneller: Large Hadron Collider  Protonen botsen op protonen  27 km omtrek De meetopstelling: ATLAS  Detectie van botsings- producten  46x25x26m Waanzinnige parameters: Grootte ~ 10 keer zo ‘ingewikkeld’ als ooit tevoren Menskracht >4000 natuurkundigen Kosten > 3000 M€

51 LHC machine Proton-proton botsingen:  Beschikbare energie: GeV  Zoeken naar deeltjes met grote massa Limiet gegeven door sterkte magneten 1232 magneten met B=8.4 T, operationeel bij 1.9 K Grootste koelkast ter wereld  Bundel-intensiteit enorm  Zoeken naar zeer zeldzame processen Elke seconde 40 miljoen mogelijke botsingen Omzetting energie naar deetjes met E=mc 2

52 Fenomenologie van pp botsingen ‘Harde’ botsingen: Feitelijk is proton een bundel van quarks “Alsof je twee wekkers op elkaar knalt…”

53

54 ATLAS: het experiment 10 8 Electronische kanalen ~7000 tGewicht 22 mDiameter 44 mLengte ~ 150 instituten ~1800 natuurkundigen

55 De ‘atlas’ put

56 Meting van de knallen Zachte botsingen 10 8 W ±  e ± 15 Z 0  e + e - 1 Top-anti-top quarks1 bb  +X10 3 QCD jets, p T >150 GeV10 2 Productie per seconde Higgs deeltje: ~ 1 per dag “…om uit de brokstukken het mechaniek te achterhalen”

57 Selectie interessante gebeurtenissen uit ‘achtergrond’ van 1 op gebeurtenissen - Dit is equivalent met zoeken van 1 persoon op 1000 wereldpopulaties -Oftewel één naald in 20 miljoen hooibergen Mijn dagelijkse werk:

58 Spektakel LHC als echte ‘ontdekkings’ machine Ongekend grote energieën; “Terra icognita” Mogelijke spectaculaire gebeurtenissen Creatie en verval van een klein zwart gat…

59 “The most important task for scientists is to search for the most fundamental laws, from which a picture of the world can be deduced.”

60 Higgs interakties Lege ruimte Massaloze deeltjes bewegen met de lichtsnelheid. Alle deeltjes zijn massaloos en hebben dezelfde snelheid Higgs ruimte Massaloze deeltjes wisselwerken met konstant achtergrond ‘Higgs’ veld en worden gestopt. Effectief krijgen zij een massa. Snelheid (=massa) van deeltje hang af van de sterkte van de wisselwerking Higgs deeltje Quantum mechanische fluctuatie van de achtergrond zelf: het Higgs deeltje Consequentie van Higgs achtergrondveld Het “stroop” argument

61 Atoomkernen die uit elkaar vallen

62


Download ppt "Grenzen aan het extreme kosmologie elementaire deeltjes leven-wetenschappen Groot, groter, grootst Klein, kleiner, kleinst Ed vd Heuvel ‘van oerknal."

Verwante presentaties


Ads door Google