Van atoom tot kosmos Piet Mulders HOVO – cursus februari/maart 2019 p.j.g.mulders@vu.nl

Hoe werken krachtdeeltjes http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Krachtdeeltjes van zwakke kracht en sterke Krachtdeeltjes: brengen krachten over creëren een paar (deeltje-antideeltje) annihileren een paar Richard Feynman Martinus Veltman Gerard ‘t Hooft

Hoe geven de quarks het proton zijn eigenschappen Een ‘one-line’ theorie: QCD (Quantumchromodynamics) (Zo goed als) massaloze quarks en gluonen Protonen en neutronen: Basis bouwstenen van atoomkernen, tezamen 99.5 % van de zichtbare massa in het heelal Callan, Gross, Wilczek

QED versus QCD Dit betekent een constante kracht T0 = 1 GeV/fm = 20 Ton Permanente opsluiting van gekleurde quarks

Bijvoorbeeld: verval van neutron Neutron beta-verval n  p + e- + ne Op niveau van quarks d  u + e- + ne

Drie soorten neutrinos! Z0 vervalt in quark paren (behalve top quarks!) lepton paren e+e-, m+m-, t+t- neutrino paren botsingswaarschijnlijkheid energie (GeV) Leeftijd is omgekeerd evenredig met vervals-waarschijnlijkheid 1/t = G met G = S Gi

Sterkte van krachten GF ~ a/MW2 sterke kracht elektromagne-tische kracht zwakke kracht GF ~ a/MW2

Kan de Aarde neutrino’s stoppen 10-42 m2 Voor neutrinos is werkzame doorsnede voor botsing met één proton heel klein: 10-42 m2. Maar er zitten behoorlijk wat, 1024 protonen, in iedere cm3 en dus zelfs 1030 in iedere m3 1 m2 1 m Botsingkans = 1030 x 10-12 = 10-5

Kan de Aarde neutrino’s stoppen 10-42 m2 Voor neutrinos is werkzame doorsnede voor botsing met één proton heel klein: 10-42 m2. Maar er zitten behoorlijk wat, 1024 protonen, in iedere cm3 en dus zelfs 1030 in iedere m3 Dwars door de Aarde is ruim 10000 km (dus 107 m). Dat betekent dat het neutrino maar liefst 1037 protonen voor zich ziet. Helaas dat is dus nog niet genoeg, de Aarde blijft een gatenkaas voor het neutrino. Het betekent dat er (gemiddeld) maar 1 op de 105 neutrinos wordt gestopt. 1 m2 107 m Botsingkans = 1037 x 10-42 = 10-5

Super Kamiokande Zon gezien dwars door de Aarde heen

De massa in het heelal home HET HEELAL http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Massa en energie in het heelal Donkere energie 73% Koude donkere materie 23% kosmische versnelling Donkere baryonische materie (3.5%) Normale materie: sterren (0.4%)

Massa- en energie-verdeling in heelal Rotatie van melkwegstelsels Gravitatielenzen Achtergrondstraling

Rotation curves of galaxies ‘problem’ is known for a long time (Zwicky 1937) Possible solutions: Dark matter (Oort 1932) Gravity (Bekenstein 2004) Note that

Mass bending light Gravitational lensing, Albert Einstein sir Arthur Eddington Gravitational lensing, standard tool for investigating quasars

Large scale structure of universe

Matter and gas in bullet cluster Optical X-ray

Matter and gas in bullet cluster Optical Gravitational

Matter and gas in bullet cluster

Donkere materie via lenswerking zichtbare, gravitationele (blauw) en röntgen (rood) afbeelding van de ‘bullet cluster’

Stars (1-2%) Hot gas which interacts electromagnetically and is pulled back in the collission (5-15%) A lot of dark matter, which like the galaxies interacts only gravitationally (> 80%) No need for ‘abnormal’ gravitational effects 4700 km/s 720 kpc

De geschiedenis van het heelal http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

De temperatuur van het heelal (prelude naar de geschiedenis van het heelal) http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Het meten van temperaturen in het heelal Kijkend naar de kleur (maximum van spectrale verdeling) of meer algemeen naar de vorm van het emissie-spectrum Deze emissie-spectra kunnen ook in het laboratorium gemaakt worden en zijn voor het eerst beschreven door Max Planck (Nobelprijs 1918)

Temperatuur van de kosmos

COBE en WMAP Uniforme verdeling T = 2.728 K Uniforme verdeling Het dipool-effect vanwege het Doppler effect door de beweging van de aarde ten opzichte van de CMB (ongeveer 600 km/s) Effecten van Melkweg (gekozen als ‘evenaar’ in de projectie) DT ~ mK Afwezigheid van andere mK variaties ondersteunt het idee van inflatie (plotselinge uitdijing) DT ~ 10 mK

Kosmologie als een precisie-wetenschap WMAP data Angular momentum Spectrum 2.7248K 2.7252K home

De geschiedenis van het heelal (een verhaal in zes episodes) http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

13.7 miljard jaar geleden OERKNAL

Inflatie?

en tenslotte nu ….

Donkere materie via lenswerking EINDE home