Nationaal instituut voor subatomaire fysica Ivo van Vulpen

Jullie interactie met Nikhef tot nu toe 1) In de media: afgelopen week i.v.m start-up LHC 2) Als IHEF docent (in order of appearance): Stan Bentvelsen relativiteitstheorie Marcel Vreeswijk bachelorcoordinator Auke-Pieter Colijn electromagnetisme & numnat Ivo van Vulpen deeltjes fysica I Paul Kooijman deeltjesfysica I of II Justus Koch deeltjesfyscia II Els de Wolf mastercoordinator Wouter Verkerke honours program Eric Laenen theorie

Nikhef: “coordinatie (astro-)deeltjesfysica onderzoek in Nederland” 7 onderzoeksgroepen Theorie afdeling Electr. en Mechanische werkplaatsen Detector ontwikkeling Computing (Grid) VU 250 mensen: - 100 technici - 125 wetenschappers (55 promovendi) UvA FOM RuN UU samenwerking met UL RUG TU/e UD UT

Aujourd’hui: (Astro-)deeltjesfysica in een notendop Waar doen we als Nikhef aan mee ? Hoe kunnen jullie je steentje bijdragen ?

Natuurkunde “Krachten en deeltjes” 5/47

Zwaartekracht Electro-magnetisme “massa” “elektrische lading” + + + - Newton Maxwell

Structuur van atomen Atoom = kern met electronen eromheen 10-10 m De natuur op deze schaal (atoom) is niet te begrijpen met de ‘oude’ natuurwetten Bijv: Waarom vallen de electronen niet in de kern ?

Zelfde krachten … nieuwe modellen Relativiteitstheorie Newton Einstein Quantum mechanica Maxwell Bohr

Kleiner en nauwkeuriger De kern bestaat uit protonen en neutronen. Hoe kan dat ? 1] Positieve deeltjes stoten elkaar toch af 2] Wat houdt de neutrale deeltjes bij elkaar ? 2 nieuwe natuurkrachten: De zwakke en sterke kernkracht 10-10 m 10-15 m

proton neutron up up down up down down Natuur opgebouwd uit maar 3 bouwstenen:  up-quarks, down quark en electron

Huidige status Deeltjes: Salam Deeltjes: e   e   up charm Top down strange Bottom Weinberg Krachten: 1) Electromagnetisch foton () 2) Zwakke kernkracht W+, W-, Z 3) Sterke kernkracht gluonen (8) Glashow 4) Zwaartekracht is een vreemde kracht: geen quantum theorie en veel zwakker dan andere krachten

Martinus Veltman Gerard ‘t Hooft  Nu kunnen we er ook iets mee uitrekenen 12/47

Zeker niet waar … er zijn nog veel vragen over “Alle metingen in deeltjesfysica worden in het SM verklaard” “Het Higgs boson wordt zoals verwacht bij de LHC ontdekt” Zeker niet waar … er zijn nog veel vragen over

1 2 3 Het Standaard Model en zijn mysteries: Kan de zwaartekracht niet toetreden tot het Standaard Model ? Wat is de oorsprong van de massa van de deeltjes ? (Higgs boson) In hoeveel dimensies leven we eigenlijk ? Hebben we nu echt de fundamentele elementaire deeltjes ? Zijn er nieuwe symmetrieen in de natuur ? Waarom zijn er slechts drie families van fermionen ? Zijn protonen echt stabiel ? Waarom is elektrische lading gequantiseerd ? Waarom is er meer materie dan anti-materie in ons universum ? Wat is die donkere materie en donkere energie ? Exploderen quantumcorrecties bij nog hogere energieën ? Waarom zijn de neutrino massa’s zo klein ? 1 2 3

Een van de problemen: Donkere materie Draaien van clusters Temparatuurfluctuaties in heelal Maar 4% van alles wat we zien in het heelal zijn atomen ! Wat is de rest ???

Nieuwe modellen, nieuwe krachten ?? 2 krachten Newton/Maxwell 2 krachten Einstein/ Bohr 4 krachten Standaard Model ? 10-10 m 10-15 m 10-19 m We gaan in 2008 kijken wat natuur voor ons in petto heeft … en wiens model werkt E. Verlinde L. Randall R. Dijkgraaf E. Witten

De LHC versneller 17/47

[1] kijken met licht [2] kijken met deeltjes Energie golflengte Röntgen Ultra Violet Infra rood 10-11 m 10-6 m [2] kijken met deeltjes Bijv: electronen microscoop Quantum mechanica: deeltjes zijn ook golven Deeltjes met hoge energie in deeltjesversneller  microscoop voor afstanden kleiner dan een proton  ~ 10-18 m

De grootste miscoscoop op aarde de ‘Large Hadron Collider’ (LHC) op CERN bij Genève

Hoe groot is de LHC eigenlijk ? Amsterdam

De CERN versneller-tunnel 27 km lang, 100 m onder de grond

De Tunnel

CERN press-release: “re-start LHC in maart 2009” probleem sector Aan het opwarmen

De Large Hadron Collider (eigenschappen) ~ 3000 x 3000 100 miljard 7 TeV 10 miljoen sec-1  Door het oog van een naald en wachten op een botsing!

‘gewoon’ even uitrekenen wat je verwacht Model 1, 2, 3, … Klopt het ?

Detectoren Algemeen en Nikhef’s involvement 25/47

Het grootste fototoestel op aarde de ‘ATLAS detector’ Muon kamers een persoon SCT

Een gat in de grond … ongeveer 100 meter diep

Oude LEP detector (1990 – 2000) LHC detector dwarsdoorsnede

Doorsnede van een LHC detector impuls en lading geladen deeltjes energiemeting electronen en fotonen energiemeting hadron deeltjes (quarks) detectie van muonen

Geladen deeltjes herkennen Barrel SCT Forward SCT TRT Pixel Detectors Find updated picture up ID! Pixels 80.000.000 kanalen Silicon Tracker (SCT) 6.000.000 kanalen Transition Radiation Tracker (TRT) 300.000 kanalen

NIKHEF levert hoogwaardige technische expertise bij de opbouw op CERN

NIKHEF bouwt deel van de ATLAS detector SCT, Muon kamers, … ATLAS SCT detector

Astro-deeltjes 34/47

Ontdekking Kosmische stralen 1890: observatie: verlies elektrische lading verklaring: ioniserende straling – radioactiviteit 1907: Theodor Wulf [leraar uit Valkenburg]: elektroscoop in mergelgrot  geen afname elektroscoop op eifeltoren  zelfde afname 1912: Victor Hess Experiment: hete luchtbalon tot grote hoogte Observatie: Intensiteit neemt eerst af en boven 5 km neemt het weer toe Elektroscoop die Höhenstrahlung Buitenaardse oorsprong Nobelprijs 1936

Kosmische straling p Ontdekking anti-materie, muonen, pionen Gerard van der Steenhoven Victor Hess: Nobelprize 1936 Ontdekking anti-materie, muonen, pionen

Energie Kosmische straling (welke deeltjes, hoeveel, welke energie) 1 deeltje /m2 per jaar Cygnus Flux ( m2 sr s GeV)-1 -Quasar Gerard van der Steenhoven 1 deeltje /m2 per jaar Active Galactic Nucleus 1 deeltje /km2 per jaar Energy (eV)

Pierre Auger experiment

Argentinie 1600 tanks, 1.5 km uit elkaar Meten van zeer energetische deeltjes ‘shower’

g n Oorsprong kosmische stralen ?  Neutrino experimenten (Nikhef) p Gerard van der Steenhoven Fotonen (): geabsorbeerd Protonen (p): afgebogen Neutrino’s (): DE BRON

ANTARES detector p   Neutrino Muon Nucleus Gerard van der Steenhoven ANTARES detector 12 string ANTARES detector Buoy 14.5 m Junction box Gerard van der Steenhoven 350 m Nucleus Neutrino Muon 100 m Junction box ~60-75 m

Oorsprong deeltjes Protonen: buigen af in galactisch magnetisch veld Fotonen: geabsorbeerd door gas Neutrino’s: kan, maar zeer lastig te detecteren Schaduw van de maan (muonen) Oorsprong zeer hoog energetische stralen

Jullie rol 43/47

Mogelijkheden tot verdere kennismaking… 2e jaar: - Researchpracticum - start januari technisch - Deeltjesfysica I - start februari - Tweedejaars project - start juni groepjes 3e jaars: - Bachelorsproject - start april 8 weken - Deeltjesfysica II - start februari Master: - Particle & Astroparticle Physics (track) 1+1 jaar

Voorbeelden  Research practicum: - ATLAS muon detector (data analyse) - Imaging van geladen sporen (R&D) Voorlichting volgt nog  Tweedejaars project: Dubbel Beta verval zonder Neutrino’s  Bachelor project: Zoeken naar extra ruimte dimensies Affiniteit met computing niet onbelangrijk

De master P&AP Theorie Deeltjesfysica: Standaard Model (QED, EW, QCD) Astrodeeltjesfysica Caput colleges (… Higgs mechanisme door mij) Experiment Fysica van deeltjesdetectie Statistische data analyse Caput colleges Samenwerking Mini-experiment CERN summer student (restricted) Onderzoek

Vragen: Marcel Vreeswijk Bachelor coordinator Els de Wolf Master coordinator Ivo.van.Vulpen@nikhef.nl

Backup

Wat hebben jullie met het Nikhef te maken ? Het IHEF instituut is deel van de Natuurkundefaculteit en deel van het Nikhef IHEF (in order of appearance) Stan Bentvelsen (relativiteitstheorie) Marcel Vreeswijk (bachelorcoordinator) Auke Pieter Colijn (electromagnetisme & numnat) Ivo van Vulpen (deeltjes fysica I) Paul Kooijman (deeltjesfysica I of II) Justus Koch (deeltjesfyscia II) Els de Wolf (mastercoordinator) Wouter Verkerke (honours program) Eric Laenen (ook theorie)

Mogelijkheden tot verdere kennismaking… Tweedejaars Researchpracticum (start januari) Deeltjesfysica I (start februari) Tweedejaars project (start juni) Derdejaars Bachelorsproject (start april) Deeltjesfysica II (start februari) Master Particle & Astroparticle Physics (track)

Voorbeelden Research practicum (zie rondleiding) Tweedejaars project ATLAS muon detector (data analyse) Imaging van geladen sporen (R&D) Tweedejaars project Voorlichting volgt nog Dubbel Beta verval zonder Neutrino’s

Een neutron kan vervallen: Nieuwe krachten/modellen geven nieuw inzicht in de begrip van de natuur: Voorbeeld: de zwakke kernkracht. Een neutron kan vervallen: neutron proton electron neutrino Radio-activiteit: radio-actieve straling Strontium Yttrium + elektron + neutrino 38 + 52  39 + 51

Detectoren: … groot … groter … Pierre-Auger Fluorecentie: - Stikstofatomen raken aangeslagen - Zenden bij verval licht uit Pierre-Auger observatorium: - op pampas in Argentinie - 1600 watertanks paar km uit elkaar - Totale opp. 3000 km2 ~ provincie Utrecht Fluorecentie detectoren Cherenkov detectoren Cherenkov: Relativistische deeltjes door water  zenden Cherenkov straling uit

Neutrino-detectoren Voordeel: Neutrino’s wijzen terug naar bron Nadeel: Kleine interactie neutrino’s Detectie-principe: Te ‘zien’ via Cherenkov straling van muonen Grote detector nodig Neutrino Muon Nucleus Groot: Antares / Amanda Groter: KM3-net / Icecube

Verplichte vakken P&AP Kernvakken: - Particle Physics I, II (Standard Model) semester 1 - Astroparticle Physics - Particle Detection Nikhef project semester 2 Mini-experiment: Ontwerp en bouw deeltjesdetector, neem data en analyseer data, publiceer Project management

Keuzevakken P&AP Statistical Data Analysis Capita (3 EC): Neutrino physics Beyond the Standard Model CP violation Non-perturbative QCD Programming C++ Quantum Field Theory Particles and Fields General Relativity Cosmology High energy astrophysics Nikhef ITF API