Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur Ivo van Vulpen

Deeltjesfysica Bestudeert de natuur op afstanden < 10-15 m 10-15 m Below 10-15 m need 2 extra forces … Transition: What is the current theory ? atoom kern Quantum theorie beschrijft alle metingen tot 10-18 m

Zwaartekracht en Electromagnetisme “zelfde krachten … nieuwe modellen” Relativiteitstheorie Newton Einstein Quantummechanica Maxwell Bohr

De kernkrachten 1] Positieve deeltjes stoten elkaar toch af ? 10-10 m 2] Wat houdt de neutrale deeltjes bij elkaar ? 10-10 m 2 nieuwe natuurkrachten: - zwakke kernkracht - sterke kernkracht 10-15 m atoomkern

Particles and Forces. Quarks make up the proton/neutron, the electron (famous), neutrino’s (news) With only 2 colored strings you can make a beautiful carpet  Like it, our simple model describes complex patterns in nature. Transition: Why uncomfortable and why does this picture of nature break down ?

Elementaire deeltjes fysica Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden: - Wat zijn de bouwstenen van de materie ? - Welke krachten werken op deze bouwstenen ? Deeltjesfysicus anno 500 B.C. Nikhef‘ers 2009 A.D.

De stand van zaken in maart 2009 http:// pdg.lbl.gov

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

Wat kan je maken met 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! Leidse wetenschapper

Deeltjes Krachten bouwstenen van proton/neutron elektron 1) Electromagnetisme 2) Zwakke kernkracht 3) Sterke kernkracht Quarks muon Leptons Particles and Forces. Quarks make up the proton/neutron, the electron (famous), neutrino’s (news) With only 2 colored strings you can make a beautiful carpet  Like it, our simple model describes complex patterns in nature. Transition: Why uncomfortable and why does this picture of nature break down ?

Begrijpen we ook het ‘iets verderop’ ? Maan Aarde Mars

Wat snappen we nog niet:

1 “Quarks en Leptonen zijn de bouwstenen van materie” Laatste als eerste … ‘ga ik over praten’ Revolutie in kosmologie laatste paar jaar structuur van het heelal

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!

De elementaire deeltjes up charm top down strange bottom elektron muon tau neutrino neutrino neutrino

De elementaire deeltjes elk deeltje komt in 2 gedaantes elektron (e-) positron (e+) Anti-materie dagelijkse praktijk in ziekenhuizen

Anti-materie in het ziekenhuis: de PET scan 1) Injectie met radionuclide-bevattende stof  zendt positronen uit Positron (anti-elektron) Radinucleide 2) positron botst op elektron van atoom in lichaam  2 fotonen

2 “Materie en anti-materie worden altijd in gelijke hoeveelheden gemaakt.” Theorie: materie en anti-materie zelfde eigenschappen Waarneembaar heelal: wel materie, geen anti-materie Waar is de anti-materie gebleven ? Is er dan toch verschil ?

3 “Liever geen massa voor de deeltjes. Dat breekt namelijk de mooie symmetrie.” Neutrino’s Elektron Muon Tau up,down, strange charm Top quark bottom Wat is de oorsprong van massa ? Higgs boson

kijken zonder je ogen te gebruiken

1] Kijken met licht Licht verstrooit aan objecten die groter zijn dan de golflengte van het licht  Energie IR UV Röntgen 10-6 m 10-11 m 2] Kijken met deeltjes Quantummechanica: deeltjes zijn golven  microscoop voor zeer kleine afstanden: - klein: elektronen microscoop - kleinst: protonen micsoscoop Large Hadron Collider λ ~ 10-19 m

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

Situatie 1 ? ? Situatie 2 ? ?

Situatie 1 ? Situatie 2 ?

? ? ‘Kijken’ naar sub-atomaire structuren: Situatie 3 Quantum-model ‘Kijken’ naar sub-atomaire structuren: Kleine kogels maken: Deeltjesversneller 2) Berekenen wat je verwacht voor een hypothese: Theorie 3) Afgeketste deeltjes kunnen bekijken: Detector

De grootste microscoop op aarde de Large Hadron Collider (LHC) op CERN bij Genève

De LHC deeltjesversneller Geneve

De Large Hadron Collider LHC: 27 km Genève Leiden

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

Logistieke nachtmerrie maar gelukt

De LHC is rond ! “Op 10 september 2008 hebben bundels protonen een rondje in LHC gemaakt” doorsnede LHC bundel

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

40 miljoen botsingen per seconde Bundel 1 Bundel 2

Quantummechanisch botsen Klassiek botsen Quantummechanisch botsen proton proton

Wat verwacht je ? Klopt het ? Inderdaad nieuwe deeltjes ?

Albert Einstein Bij de LHC op CERN: Energie omzetten in massa (deeltjes)  je kan nieuwe deeltjes maken

Heel vaak botsen

Hoe zien die botsingen er nou uit ? 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

LHCb ATLAS CMS ALICE

De Atlas detector het grootste fototoestel op aarde energie elektronen en fotonen energie quark-deeltjes positie en impuls geladen deeltjes magneet muon detector mens

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

De Atlas SCT detector Foto in de cleanroom op het Nikhef (Amsterdam)

Puzzelen voor gevorderden

De Atlas detector doet het Atlas detector was operationeel tijdens LHC start-up blok koper bundel 1 Voor-aanzicht Zij-aanzicht

… het echte werk!

Hoe ontdek je nou nieuwe dingen Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector Nieuw ? Normaal muon Ja … waarschijnlijk wel Higgs deeltje ?

Fotootjes kijken ongeveer 1 Higgs boson per dag 40 miljoen botsingen per seconde [ruimte voor opslag 200 per seconde] ongeveer 1 Higgs boson per dag 1 naald in 40 miljoen hooibergen ….. per seconde !

We zijn er klaar voor LHC versneller Detectoren Theorie Herstart september 2009 Vier detector zijn klaar Theorie Meer dan genoeg vragen … meer dan genoeg ideeën/oplossingen

EINDE

Revolutie in kosmologie laatste paar jaar Structuur van het heelal

Een gat in de grond … ongeveer 100 meter diep