Niels Tuning (Nikhef) 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

Machten van tien … Heelal 1026 m Mens 100 m Melkweg 1021 m Atoom Zonnestelsel 1013 m Kern 10-15 m Aarde 107 m Botsingen 10-18 m

Reis naar het allerkleinste… Hoe gaat het in zijn werk? De deeltjes, in dit geval protonen, worden in het ringenstelsel geinjecteerd. Ze worden telkens tot een hogere energie versneld om tenslotte in de detector met elkaar in botsing the komen. Hier ziet U een animatie hoe de deeltjes in botsing komen met elkaar en uiteenspatten in allerlei soorten nieuwe deeltjes. Uiteindelijk ziet U de detectie signalen die de natuurkundigen analyseren om te begrijpen wat er gebeurd is in de botsing. 4

Machten van tien … Heelal 1026 m Mens 100 m Melkweg 1021 m Atoom Zonnestelsel 1013 m Kern 10-15 m Aarde 107 m Botsingen 10-18 m

Astronomie Deeltjes fysica

Elementaire deeltjes fysica Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden: Wat zijn de bouwstenen van de materie ? Welke krachten werken op deze bouwstenen ? 400 v.Chr. 1687 1864 1905 Demokritos atoom Newton krachten Maxwell electromagnetisme Einstein van alles…

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Waar bestaat het heelal uit?

Waar bestaat het heelal uit?

Waar bestaat het heelal uit? 0% ANTI MATTER Slechts 4% is normale materie…

Wat snappen we niet? Wat is de donkere materie ? Waar is de anti materie ? 0% ANTI MATTER

Wat snappen we al helemaal niet?? 0% ANTI MATTER Donkere energie??

Donkere energie… “the biggest blunder I ever made in my life” kosmologische constante van Einstein 0% ANTI MATTER 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

Het menu komende half uur: II. Wat is de donkere materie ? I. Waar is de anti materie ? 0% ANTI MATTER Materie (snappen we) Anti-materie (snappen we, maar is weg??) Donkere materie (hebben we ideeen over…)

De stand van zaken in november 2010 http:// pdg.lbl.gov

De elementaire deeltjes Proton up down up down elektron Neutron down up

Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen? periodiek systeem van Mendeleev Mendeleev 1869. Alle materie op aarde bestaat uit het “up” en “down” quark in atoomkernen en het electron in een baan eromheen. We kunnen alle fundamentele natuur en scheikundige processen op aarde hier mee verklaren. Alles! Ook Middelburg

De elementaire deeltjes Niet één serie, maar drie! (1956) u d I e ne (1895) c s II m nm (1936) (1963) (1947) (1976) t b III nt (1973) (2000) (1978) (1995) Lading +2/3 e -1/3 e -1 e 0 e quarks We hebben na jaren geleerd dat er nog meer bouwstenen zijn dan het up en down quark. Allereerst is er het neutrino dat in de zon geproduceerd wordt. En ook in kerncentrales. Het electron en het neutrino noemen we samen leptons. Maar daarnaast komen er nog kopieen voor van de bekende deeltjes. Het muon is het zwaardere broer van het electron, maar er zijn ook nog de zogenaamde “C” en “S” quarks: dit staat voor Charm en Strange. We spreken van een tweede generatie. De jaartallen geven aan wanneer de deeltjes ontdekt zijn. We hebben ook een 3e generatie ontdekt en we weten van 1990 dat er niet meer generaties zijn. Er zijn er 3 in totaal. Ook de lading van de deeltjes is aangegeven. Eigenlijk dus een heel mooi en simpel systeem. Hierdoor hebben natuurkundigen het idee dat er nog iets achter schuil gaat. Maar sowieso kan dit model al gedeeltelijk verklaren dat we uberhaupt bestaan (CP-schending, anti-materie, oerknal). Dus 2 dingen: Mooi symmetrisch (wat zit daar achter?) & Verklaren (CP-schending, Radioactiviteit). Eerst het laatste. leptons Materie

u d e ne c s m nm t b nt Materie Is dit alles? I II III +2/3 e -1/3 e Generatie: (1956) u d I e ne (1895) c s II m nm (1936) (1963) (1947) (1976) t b III nt (1973) (2000) (1978) (1995) Lading +2/3 e -1/3 e -1 e 0 e quarks De vraag is nu of dit alles is wat er in het heelal voorkomt. Daarvoor gaan we drie zaken behandelen: anti-materie, E=mc2, oerknal. Daar weet je waarschijnlijk niet veel van, dus dat is allemaal nieuw. Je mag het ook zo allemaal vergeten. Hopelijk is t niet moeilijk, maar juist leuk en interessant en spannend. Als je toch in slaap valt: daarna: filmpjes ;-) leptons Materie Fundamentele deeltjes en deeltjesversnellers

(iγμ∂μ-m)ψ=0 Anti-materie Anti-materie deeltje: Zelfde massa Revoluties begin vorige eeuw: Relativiteitstheorie Quantum Mechanica Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie! Voor elk materiedeeltje bestaat een anti-materiedeeltje ! (iγμ∂μ-m)ψ=0 Anti-materie deeltje: Zelfde massa Tegenovergestelde lading We gaan terug naar elem deeltjes. De briljante theoretische natuurkundige Paul Dirac heeft in het begin van de vorige eeuw de relativiteits theorie van Einstein (het allersnelste) en de quantum mechanica (het allerkleinste) gecombineed in een theorie. Het bijzondere was dat hij daarbij voorspelde dat er voor alk materie deeltje ook een anti materie deeltje zou moeten bestaan. Anti-materie deeltje: zelfde eigenschappen, tegenovergestelde lading

De elementaire deeltjes (1956) u d I e ne (1895) c s II m nm (1936) (1963) (1947) (1976) t b III nt (1973) (2000) (1978) (1995) Lading +2/3 e -1/3 e -1 e 0 e quarks Dus we hebben niet alleen de bekende quarks en leptons, maar ook hun spiegelbeelden in anti materie. leptons Materie

De elementaire deeltjes (1956) u d I e ne (1895) c s II m nm (1936) (1963) (1947) (1976) t b III nt (1973) (2000) (1978) (1995) Lading +2/3 e -1/3 e -1 e 0 e Lading I II III u -2/3 e c t quarks +1/3 e d s b +1 e e m t De antimaterie deeltjes hebben tegengestelde electrische lading aan de materie deeltjes maar zijn verder volledig identiek. Dus de theorie voorspelt een anti-elektron. leptons (1932) ne nm nt 0 e Materie Anti-materie

Hoe maak je anti-materie?? Albert Einstein: E=mc2 materie + antimaterie = licht ! (en vice versa) e+ e- De beroemde formule van Albert Einstein: E=mc^2 zegt dat energie in materie omgezet kan worden. Als een materie deeltje een anti-materie deeltje tegenkomt heffen ze elkaars bestaan op en komt er een grote hoeveelheid energie vrij in de vorm van lichtdeeltjes: fotonen. Dus materie en antimaterie gaan over in licht. Omgekeerd kan een grote hoeveelheid energie (licht dus) in een materie en antimaterie deeltje splitsen. Hier ziet U een opname van de sporen met daarbij een animatie over er heeft plaatsgevonden. e+ e-

Anti-materie in ziekenhuizen: de PET-scan Het omzetten van materie en antimaterie in energie wordt daadwerkelijk toegepast in ziekenhuizen in de PET scan opname. Patient krijgt een positron emitter (zelfde idee als radiactiviteitsdiagram) ingespoten. Tumorcellen nemen de stof op. De positronen komen in contact met electronen in de patient en lichtstralen worden uitgezonden. Hierdoor kunnen duidelijke beelden van tumoren gemaakt worden. e+e  

Wat snappen we nog niet:

Wat snappen we nog niet? Materie (snappen we) II. Wat is de donkere materie ? I. Waar is de anti materie ? 0% ANTI MATTER Materie (snappen we) Anti-materie (snappen we, maar is weg??) Donkere materie (hebben we ideeen over…)

I. “Anti-materie” Waar is de anti-materie gebleven? Geen anti-materie met satellieten Geen anti-materie sterrenstelsels

II. “Donkere materie” Wat is de donkere materie ? Temperatuurfluctuaties structuur van het heelal Rotatie-curves Gravitationele lens Wat is de donkere materie ? We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd!

II. “Donkere materie” 400,000 jaar na oeknal werd heelal doorzichtig Temperatuurfluctuaties structuur van het heelal 400,000 jaar na oeknal werd heelal doorzichtig De “klontering” zegt iets over zwaartekracht en dus over massa

Oudste foto: 380.000 jaar na de Big Bang

II. “Donkere materie” Rotatie-curves Rotatie-snelheid sterren data Afstand tot centrum stelsel (kpc) Snelheid (km/s)

II. “Donkere materie” Botsende melkwegstelsels Gravitationele lens Normale materie is “afgeremd”: te zien met X-rays Donkere materie is “doorgeschoten”: te zien met gravit. lens

Wat snappen we niet? Anti-materie?? Donkere materie?? (waar is het gebleven) Donkere materie?? (wat klonterde de sterrenstelsels)

Astronomie Deeltjes fysica

Kijken zonder je ogen te gebruiken

Botsingen van Deeltjes Hoe gaat het in zijn werk? De deeltjes, in dit geval protonen, worden in het ringenstelsel geinjecteerd. Ze worden telkens tot een hogere energie versneld om tenslotte in de detector met elkaar in botsing the komen. Hier ziet U een animatie hoe de deeltjes in botsing komen met elkaar en uiteenspatten in allerlei soorten nieuwe deeltjes. Uiteindelijk ziet U de detectie signalen die de natuurkundigen analyseren om te begrijpen wat er gebeurd is in de botsing. Niels Tuning Open Dag 2008

I. Hoe onderzoeken we anti-materie: Detector

I. Hoe onderzoeken we anti-materie materie ↔ anti-materie b s

II. Hoe ontdek je donkere materie: Detector Hoe gaat het in zijn werk? De deeltjes, in dit geval protonen, worden in het ringenstelsel geinjecteerd. Ze worden telkens tot een hogere energie versneld om tenslotte in de detector met elkaar in botsing the komen. Hier ziet U een animatie hoe de deeltjes in botsing komen met elkaar en uiteenspatten in allerlei soorten nieuwe deeltjes. Uiteindelijk ziet U de detectie signalen die de natuurkundigen analyseren om te begrijpen wat er gebeurd is in de botsing.

II. Hoe ontdek je donkere materie? quark quark Simulatie top quark productie quark proton Difficult situation: new detector and new theory. ‘A pair of top quarks has it all’. Millions of pictures  learn about properties top quarks. Transition: what do you need to take on such an approach. elektron proton neutrino quark

II. Hoe ontdek je donkere materie? Maak nieuwe deeltjes met energie! E=mc2 Nieuw ? Normaal ? geen balans muon

Einde Materie (snappen we) Anti-materie (snappen we, maar is weg??) Wat is de donkere materie ? Waar is de anti materie ? 0% ANTI MATTER Materie (snappen we) Anti-materie (snappen we, maar is weg??) Donkere materie (hebben we ideeen over…)

EINDE

Backup slides

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.”

Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek Kan leiden tot verrassingen, Soms zelfs nuttig… Maar per definitie van te voren onbekend 1947 2009 “Quantum mechanica en begrip van atomen cruciaal voor transitors.”

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!”

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

Wat is het nut van dit onderzoek? Veel mensen zijn gewoonweg nieuwsgierig Hoort bij de mens wat is het nut van kunst? religie?

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 (Topsport: 28 miljoen)

Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie” Versnellers Meetapparatuur Kennis van deeltjes 1954: 1ste patient 1997: 22.000 patienten Nu: 51.000 patienten 52

6 Weeks after carbon treatment with a dose of 60 Gye Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie” Before treatment 6 Weeks after carbon treatment with a dose of 60 Gye D.Schulz-Ertner et al. 53

Carbon en Proton Therapie in Europa HIT – Heidelberg Ion beam Therapy operational protons under construction protons and ions planned

Voorbeeld van spin-off: www 1989: Tim Berners Lee proposed “html” and “WorldWideWeb” 1992: 1ste website in NL: http://nic.nikhef.nl 1993 : www in the public domain 55

Wat verwacht je ? Al 30 jaar bestaan er precieze wiskundige voorspellingen! 56

Meten van complexe getallen! eiφ e-iφ We meten quark koppelingen Er is een complexe phase in de koppelingen Meetbaar als er 2 amplitudes een rol spelen: matter anti-matter Γ( B f) = |A1+A2ei(φ+δ)|2 Γ(Bf) = |A1+A2ei(-φ+δ)|2 Bewijs van bestaan van complexe getallen…

Verschil materie, anti-materie: Nobelprijs 2008 “Box” diagram: ΔB=2 Nobelprijs voor Kobayashi & Maskawa KM voorspelden in 1972 de 3de generatie quarks om kleine verschillen in materie en anti-materie te verklaren b s μ “Penguin” diagram: ΔB=1 Toshihide Maskawa Makoto Kobayashi

Wat snappen we niet? Anti-materie?? Donkere materie?? (waar is het gebleven) Donkere materie?? (wat klonterde de sterrenstelsels)