De LHC: Reis naar het Allerkleinste… Niels Tuning (Nikhef)

Reis naar het Allerkleinste…

? Wat is het allerkleinste dat je je kunt voorstellen?? 10-15 m atoom kern Below 10-15 m need 2 extra forces … Transition: What is the current theory ? ? Wat zijn de bouwstenen van alle dingen om ons heen?

Reis naar het allerkleinste … Heelal 1026 m Spin 10-2 m Melkweg 1021 m Atoom 10-10 m 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. 5

Reis naar het allerkleinste … Heelal 1026 m Spin 10-2 m Melkweg 1021 m Atoom 10-10 m Zonnestelsel 1013 m Kern 10-15 m Aarde 107 m Botsingen 10-18 m 6

De allerkleinste deeltjes Proton up down up down elektron Neutron down up

Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen? periodiek systeem van Mendeleev Alles! 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.

De allerkleinste 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) 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

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) quarks Dus we hebben niet alleen de bekende quarks en leptons, maar ook hun spiegelbeelden in anti materie. leptons Materie 10

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) I II III u c t quarks d s b 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 Materie Anti-materie 11

Hoe maak je anti-materie?? Met energie! Albert Einstein: E=mc2 materie + antimaterie = licht ! E=m e+ e- m=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-

Wat snappen we nog niet:

Toen het heelal gemaakt werd, verdween de anti-materie… We weten niet waarom het verdwenen is!!

Allergrootste Allerkleinste Nieuwsgierig Waar is de Anti-materie heen?

Kijken zonder je ogen te gebruiken

? onbekend voorwerp achter een gordijn … en 100 kogeltjes bovenaanzicht ? Hoe ketsen de kogels af ?

Situatie 1 ? ? Situatie 2 ? ?

Situatie 1 ? Situatie 2 ?

De grootste microscoop op aarde de deeltjesversneller op CERN bij Genève

De LHC deeltjesversneller Geneve

De deeltjesversneller van binnen Korter! Council update (vragen ?) TODAY Energie is gelimiteerd door de kracht van 1232 dipool magneten: B= 8.4 T

Quantum-mechanisch botsen Klassiek botsen Quantum-mechanisch botsen proton proton

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

Hoe zien deeltjes er nou uit ?? Ongeveer zo:

Hoe zien deeltjes er nou uit?? Of ongeveer zo: Simulatie top quark productie: quark quark 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 26

LHCb ATLAS CMS ALICE

De Atlas Muon Detector mens 28

De Atlas pixel detector 80 MegaPixel camera 40.000.000 foto’s per seconde 29

Eerste plaatjes van deeltjes: Voor-aanzicht LHCb detector Zij-aanzicht LHCb detector

Eerste plaatjes van deeltjes:

Eerste plaatjes van deeltjes:

Pech: 19 september 2008 Test magneten op volle kracht Kortsluiting tussen 2 magneten Groot helium lek. Meerdere magneten zijn gerepareerd In november beginnen we weer! Sector 34 Laatste als eerste … ‘ga ik over praten’

Reis naar het allerkleinste… Theorie LHC versneller Quarks zijn het allerkleinst Waar zijn de anti-quarks gebeleven?? Deeltjesversnellers maken kleine deeltjes: E=mc2 Detectoren

EINDE

Wat snappen we nog niet? “Anti-materie” Waar is de anti-materie gebleven? Geen anti-materie met satellieten Geen anti-materie sterrenstelsels

Anti-materie: gewoonste zaak van de wereld! 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   37

De deeltjesversneller LHC: 27 km A10: 32 km Geneve Amsterdam 38

Energie 1 proton (LHC) Energie LHC bundel Bundel 2 Bundel 1 3000 x 100.000.000.000 protonen Bundel 2 Doorsnede LHC bundelpijp Bundel 1

Film: Angels & Deamons niet waar Waar of niet waar? 1) 2) 3) ‘Door deeltjes te laten botsen, kunnen we de bouwstenen van het heelal leren kennen.’ 2) ‘De wetenschap beweert […], dat bij de oerknal alles in het universum samen met een tegenpool is ontstaan.’ 3) ‘Het is de energiebron van de toekomst. Duizendmaal zo krachtig als kernenergie.’ niet waar 40

Hoe ontdek je nou nieuwe dingen Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector Nieuw ? Normaal ? muon

Fictie… “Einde van de wereld” is onzin! Elke dag zijn er botsingen op de atmosfeer! Laatste als eerste … ‘ga ik over praten’ 42

Kosmische straling Cosmische straling werd in 1909 per obgeluk ontdekt door Theodor Wulf, een nederlandse priester die dacht natuurlijke straling te zien vanuit de aarde. Om dit te verifieren beklom hij de eiffeltoren en zag tot zijn verbazing dat de stralingsachtergrond hoger werd. Dit was het eerste signaal van cosmische straling. Cosmische stralen zijn meestal protonen (87%) of Helium kernen (12%) die ergens in het heelal versneld worden en botsen met atomen in de atmosfeer, zoals hier is weergegeven. Er worden allemaal deeltjes geproduceerd. De meeste bereiken het aardoppervlak niet, echter een deeltje wel: het zogenaamde muon. Een nieuw deeltje in het spel! 18 oktober 2008 43