F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Welkom 10: :00 Deeltjes fysica I 11:15 – 12:00 Rondleiding 12:15 – 13:00 Deeltjes fysica II Lunch 14:00 – 14:45 De zon 15:00 – 15:45 De cosmos Afsluiting

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 De zon als laboratorium voor deeltjes fysica Inleiding deeltjes fysica I Inleiding deeltjes fysica II Hoe werkt de zon? Deeltjes uit de cosmos (AH)

3 Energie huishouding v/d zon L= km R= km M=2  kg R=7.000 km Energie flux: op aarde:  1400 W/m 2 Dus zon straalt uit: 4  L 2  1400  4  W Hoe komt die zon aan zijn energie? Stel: zwaartekracht  E zon  GM 2 zon /R zon  4  Ws  4  /4   jaar Stel: benzine bom: C 5 H 12 +7O 2  5CO 2 +6H 2 O  E zon  M zon  10 8 Ws  2  /4   jaar

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Inleiding deeltjes fysica Deeltjes & krachten Experimentele deeltjes fysica De “highlights”: historisch perspectief De “hot issues”: toekomst perspectief

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Deeltjes & krachten 1.Hoe zit het in elkaar? 2.Hoe werkt het?

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Hoe zit het in elkaar? De elementaire deeltjes

7 e q elektron =  1 elektron p u d u q proton = 1 = 2x(2/3)  1x(1/3) proton n d d u q neutron = 0 = 1x(2/3)  2x(1/3) neutron m e = 0.92  kg m p = 1.7  kg m n = 1.7  kg

8 Periodiek systeem: atomen D.I. Mendelejev ( ) E. Rutherford ( ) N. Bohr ( )

9 Elementair, energie & massa Elementair: Wanneer heet een deeltje elementair? Energie: Kinetische energie auto: 1000 kg en v=180 km/uur? Verbrandings energie 1 liter benzine? Energie winst elektron na 1 Volt spannings verschil? Antwoord: tot het moment waarop het aantoonbare sub-struktuur heeft d.w.z. bestaat uit iets anders! Antwoord: ½mv 2 = 1.25  10 6 J = 1.25 MJ Antwoord:  10 8 J = 100 MJ (  80  van 0  180 km/uur) Antwoord: 1 eV = 1.6  10  19 J Massa: Einstein heeft relatie gevonden tussen massa & energie: E=mc 2 Welke energie correpondeert met een 0.92  kg zwaar elektron? A. Einstein ( ) Antwoord: 0.92  kg  (3  10 8 m/s) 2 eV   10 6 eV = MeV 1.6  10  19 J

10 Familie portret elementaire deeltjes uuu ddd e e ccc sss   ttt bbb   IIIIII m [MeV]  m [MeV]  m [MeV]  (1 MeV  1.8  kg) Rood Geel Blauw

11 Familie portret elementaire anti-deeltjes ccc sss   ttt bbb   IIIIII uuu ddd e e Recept:  lading q   q  kleur  anti-kleur  rest (massa, spin, …) blijft onveranderd

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Hoe werkt het? De fundamentele krachten Gravitation

13 Elektrische kracht kracht E-veld E Q

14 Magnetische kracht kracht B-veld I B

15 J.C. Maxwell ( ) Elektro-Magnetische wisselwerking  licht! W.C. Röntgen ( ) G. Marconi ( ) H. Hertz ( ) Experimentele toepassingen!

16 Quantum mechanisch W. Heisenberg ( ) E. Schrödinger ( )  m  =0 MeV kracht deeltje: foton

17 Veel fotonen? Frekwentie:  1000 MHz Vermogen:  1 W  E  =h  7  10  24 J  N  = /s Golflengte:  500 nm Vermogen:  50 W  E  =h  4  10  19 J  N  = /s Foton tellers: photomultiplier photodiode

18 Sterke kernkracht stabiliteit? nieuwe kracht:  sterke kernkracht g m g =0 MeV kracht deeltjes: gluonen

19 Zwakke kernkracht sommige kernen zijn wel instabiel! nieuwe kracht:  zwakke kernkracht kracht deeltjes: W , Z 0 W , Z 0 m W  80 GeV m Z  91 GeV

20 Sterke & zwakke kernkracht nuclear weapons (  1945) nuclear power (  1942) nuclear medicine (  19??) food preservation (  19??) Radio-chemical dating, mining, fire detectors, cancer treatment, ………

21 Krachten

22

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Experimentele deeltjes fysica 1.Hoe detecteer je deeltjes? 2.Hoe maak je elementaire deeltjes? 3.Wat meten we?

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Hoe detecteer je deeltjes? Ionisatie proces Energie meting Spoor meting

25 Energie verlies geladen deeltjes kernenelektronen ee ee ee ee ee  Gevolgen:1. geladen deeltje verliest energie 2. detector materie geëxciteerd © Els Koffeman 

26 Voorbeelden detectie materialen  ionisatie gas gevulde detectoren (b.v. Ar-CO 2 )  excitatie scintillatie & fluorescentie (b.v. plastics, kristallen)  electron-gat paren half geleider detectoren (b.v. Si, Ga, Ge en diamant)

27 Energie meting Principe: energie verlies in materie stop deeltje volledig energie (E)  meetbaar signaal (ionisatie, licht, …) 5 cm deeltjes richting  E/E  1% e e   e

28 Impuls meting Principe: afbuiging spoor in B-veld reconstrueer spoor fit kromtestraal  impuls P tijd signaal 0 ns 500 ns  P/P  2% 10 cm 5 meter

29

30 Gebeurtenissen analyseren e  e   Z 0  ??

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Hoe maak je elementaire deeltjes? In: de cosmos kern reakties botsingsmachines

32 I. Gratis: vanuit de ruimte

33 II. Kern reacties:  op aarde: kernsplitsing  in de zon: kernfusie

34 III. Botsingsmachines

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Wat meten we? 1.Verval van deeltjes (levensduur) 2.Verstrooiing van deeltjes

36 Verval (muon) Situatie: op tijdstip t=0: N(t=0)  N 0 deeltjes # dat vervalt tussen t en t+  t  N(t) N(t=0) = N 0  N(t)   N(t)  t N(t) = N 0 e  t   tN 0 e  t dt = 1/    Opgaven: 1.Vind N(t) 2.Bereken de levensduur 

37   ee Neutrino’s: spook deeltjes  -verval R.P. Feynman ( )  -verval WW   ee e Feynman diagram

38  -verval: de meting m  /2 53 MeV Elektron energieMuon levensduur

39  4 He Au Verstrooiing ( 4 He+Au  4 He+Au)

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 De “Highlights”: historisch perspectief 1.anti-materie: e + ontdekking 2.   ontdekking: een nieuw quark 3.de W  en de Z 0 deeltjes 4.(het 6 e quark: top)

41 e + ontdekking (1932) 1930: P.A.M. Dirac voorspelt anti-materie 1932: C.D. Anderson ontdekt e + loden plaat bellenvat P.A.M. Dirac ( ) C.D. Anderson ( ) Waarom is dit een e + spoor?

42 (1963)   ontdekking: een nieuw quark!     0    0  0  0,  0  e+ee+e  0  p    s s s

MeV 1385 MeV 1533 MeV 3.Veronderstel: a.m u  m d b.massa’s combinaties met 0, 1 en 2 s-quarks gegeven Wat is de voorspelde massa van de sss combinatie? Deeltjes opgebouwd uit quarks 1680 MeV (dit is de   ) Twee typen: 1.quark+anti-quark 2.quark+quark+quark Opgave: 1.Hoeveel combinaties met de drie quarks u,d,s te maken? 2.Rangschik ze naar # s-quarks

44 1 e observaties W  boson (1983) pp  W  X W   e  e

45 Precisi Z 0 boson metingen eeZ0eeeeZ0ee e  e   Z 0     e  e   Z 0     e  e   Z 0  qq ( )

46 Hoe gevoelig is LEP? Heel gevoelig! stand v/d maan:  deformeert aarde   LEP omtrek   LEP E bundel   10 MeV TGV:  elektrische stroom   stroom in LEP   LEP magneetveld   LEP E bundel  few MeV

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 De “hot issues”: toekomst perspectief 1.willekeur deeltjes massa’s 2.(hebben neutrino’s massa?) 3.(materie  anti-materie) 4.“big-bang” neutrino’s 5.(de zwaartekracht?) 6.(3 families?) 7.(quantisatie van de lading?) 8....

48 Wanted: Higgs, het massa deeltje         Reward: Nobelprijs natuurkunde pp  XH H  ZZ Z  e  e ,    ,    

49 Reward: Nobelprijs natuurkunde Wanted: oerknal neutrino’s 2.7 K fotons 1.9 K neutrino’s? ? 1 cm 1 cm e  

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Hoe werkt de zon? Het kernfusie proces Neutrino’s Metingen v/d neutrino flux!

51 Zo werkt de zon dus niet! L= km R= km M=2  kg R=7.000 km Energie flux: op aarde:  1400 W/m 2 Dus zon straalt uit: 4  L 2  1400  4  W ?Zon is ongeveer jaar oud! Stel: zwaartekracht  E zon  GM 2 zon /R zon  4  Ws  4  /4   jaar Stel: benzine bom: C 5 H 12 +7O 2  5CO 2 +6H 2 O  E zon  M zon  10 8 Ws  2  /4   jaar

52 Einstein: E=mc 2 uit Stel, massa  energie:  E zon  M zon c 2  2  Ws  2  /4  > jaar aan Realiteit: kernfusie H H H H M=4  m H  pn np M=m He   1% efficiëntie; 10 miljard jaar!  M   m p  MeV

53 H H n p e e 1 H + 1 H  2 H + e e + p H n p foton 1 H + 2 H  3 He +  pn np H H 3 He + 3 He  4 He H d H H u d e e H u d foton 1 H + 1 H  2 H + e e W/m 2  9  eV/s/cm 2

54 Neutrino detectie: W  Typisch:  “lab” systeem  veel materiaal  “tel” experiment geladen (W  ) stroom gebeurtenis W+W+   u d

55 neutrale (Z 0 ) stroom gebeurtenis Z0Z0   ee ee  ee Neutrino detectie: Z 0

56 Neutrino’s van de zon  10 6 jaar e 8 min

57 Aantal neutrino interacties 40 m # e /dag: (65  10 9 )  (3600  24)  (  )  7  e /dag e /s/cm 2 sec/dag cm 2 # e  /cm 2 die e ’s “zien”: (4/0.018)  (6  )  18  2.4  e  /cm 2 Mol H 2 O Avogadro e  /H 2 O Natuurkunde: kans op e e   e e  interactie! (2.4  )  (7  )  10  43  200 interacties/dag e  /cm 2 e /dag kans cm 2 Efficiëntie v/d detektor: varieert tussen de 0.01% en de 100%

58 Homestake Methode: tank: 615 ton schoonmaak middel typisch 1 37 Cl  37 Ar per dag 37 Ar isoleer je chemisch tel radio-actieve 37 Ar vervallen e + 37 Cl  e  + 37 Ar pn e e ++

59 Super- Kamiokande e + e   e + e  e e ++ e e rate  (zon,e  ) ee

60 Sudbury Neutrino Observatory

61

62 Het goede nieuws: Er komen neutrino’s v/d zon! Het slechte nieuws: Er zijn er te weinig! Verklaring: Onderweg veranderen elektron neutrino’s van identiteit d.w.z. bijvoorbeeld e   !

63 En het allerleukste van dit alles? Er zelf aan mee onderzoeken!

F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002 Deeltjes uit de cosmos Supernovae