Keerpunten 2009 De Kleinste Deeltjes A.P. Colijn

Vooruitblik Krachten: 1. Zwaartekracht 2. Elektromagnetisme 3. Zwakke kracht 4. Sterke kracht

I: De Kleinste Deeltjes - 1895

Klassieke Natuurkunde Het einde van de 19e eeuw De Klassieke Natuurkunde Zwaartekracht - Newton Electromagnetisme – Maxwell, … Thermodynamica – Boltzman, …. Atomen als Bouwstenen Klassieke Natuurkunde

Zwaartekracht

Zwaartekracht

Elektriciteit

Elektriciteit + en - eboniet glas Er is een kracht die “iets” doet met elektrische lading : + en + lading stoten elkaar af - en – lading stoten elkaar af + en – lading trekken elkaar aan Elektriciteit Elektrische lading komt in brokjes: kleinste eenheid is elektron lading.

Elektriciteit

Magnetisme College "Keerpunten" Universiteit van Amsterdam 2004/2005 (Frank Linde)

Magnetisme N Z

Elektro-Magnetisme

Het Periodiek Systeem Het Atoom

Het Atoom Hoe groot? 30-300·10-12m Hoe zwaar? 1.7·10-27 – 4.5·10-25 kg Hoe veel? 1g waterstof = 6·1023 atomen Getal van Avogadro = 6 1023 Het Atoom

Atomen: realiteit of fictie? I. Brownse beweging

II. Electron microscopie Atomen: realiteit of fictie? College "Keerpunten" Universiteit van Amsterdam 2004/2005 (Frank Linde)

Atomen: realiteit of fictie? tunnel microscopie III. Scanning

IV: Collegezaal Experiment Atomen: realiteit of fictie? Stap1: maak klein stukje hand nat Stap2: blaas erover Observatie: ………… Verklaring met atoommodel! IV: Collegezaal Experiment

Atomen: realiteit of fictie? Temperatuur: V: Thermodynamica Heel veel atomen samen:

Structuur van het Atoom Experiment Theorie &

e/m = 1.761011 C/kg (e/mp = +0.96108 C/kg) Structuur van het Atoom: Het Elektron e/m = 1.761011 C/kg Thomson 1897 Thomson (1856-1940) (e/mp = +0.96108 C/kg)

qe = 1.60217646  1019 C Structuur van het Atoom: Het Elektron Millikan 1900

Botsen op Atomen: Hypothese van Thomson

Botsen op Atomen: Resultaat van Rutherford

α atoomkern proton Ernest Rutherford (1871-1937) “All science is either physics or stamp collecting”

Bohr’s atoom model Balmer serie 1 2 3 4 n = 5 College "Keerpunten" Universiteit van Amsterdam 2004/2005 (Frank Linde)

bindingsenergie (eV) quantumgetal n eV Paschen 1 2 3  13.6 3.4 1.5 0.0 Lyman Balmer quantumgetal n bindingsenergie (eV) eV

Natuurkunde Herzien Quantum mechanica Relativiteitstheorie Planck De Broglie Bohr Heisenberg Einstein Schrodinger In de natuurkunde is bijna alles al ontdekt. Alles dat overblijft is het vullen van een paar gaten. Natuurkunde Herzien Quantum mechanica Relativiteitstheorie

II: De Kleinste Deeltjes - 2009

Terugblik Krachten: 1.Zwaartekracht 2.Elektrische kracht 3.Magnetische kracht Atomen: positieve kern negatieve elektronen er omheen Bohr Model Terugblik

Quantum Theorie Heisenberg: onzekerheidsrelaties De Broglie: deeltje-golf Quantum Theorie n=3 n=2 n=1

Natuurkunde op kleinste schaal beschreven door de golffunctie Ψ: Schrodinger Vergelijking Voorbeeld: Oplossing voor vrij deeltje (V=0) in 1-dimensie: Quantum Theorie Natuurkunde op kleinste schaal beschreven door de golffunctie Ψ: |Ψ|2 is kans / volume!

Energie spectrum zwarte straler energie dichtheid GEEN Quantum WEL Quantum Quantum Theorie 0 m 0,5 m golflengte ()

Foto elektrisch effect invallend licht golflengte  frekwentie f losgeslagen elektronen Quantum Theorie

Foto elektrisch effect golflengte1 (1) drempelspanning Vdrempel Quantum Theorie

Relativistische Quantum Veldentheorie Relativiteit + Quantum

Relativistische Quantum Veldentheorie (Feynman diagram) basis interactie Compton verstrooiing: e  e Möller verstrooiing: ee  ee Bhabha verstrooiing: e+e  e+e Paar creatie: Relativiteit + Quantum   e+e Paar annihilatie: e+e   37

Structuur in de atoomkern 1897 elektron Thomson 1911 kern Rutherford Deeltjesjacht 1911 proton Rutherford 1932 neutron Chadwick

Dirac voorspelt het anti-elektron Wat is een anti-deeltje? Deeltjesjacht

Deeltjesjacht Anderson ontdekt het anti-elektron! Bijna alle deeltjes “hebben” een anti-deeltje

Proton elementair? elektron foton 1 fm Deeltjesjacht +2/3 -1/3

Sterke Kracht Wat houdt het proton bijeen? F sterk! F elektrisch +2/3 -1/3 F sterk! Quantum ChromoDynamica Gedragen door gluonen Sterke Kracht

Neutron verval = β verval ν W- -1/3 +2/3 -1/3 Zwakke Kracht +2/3

Elementaire Deeltjes Anno 2009

Krachten g  W & Z0 Zwaartekracht: Elektro-Magnetisme: Newton  Elektro-Magnetisme: Maxwell e.a. Krachten Zwakke kernkracht: Becquerel e.a. W & Z0 g Sterke kernkracht: Yukawa e.a.

III: De Kleinste Deeltjes – LHC tijdperk

Terugblik Krachten: 1. Zwaartekracht 2. Elektromagnetisme 3. Zwakke kracht 4. Sterke kracht Elementaire Deeltjes: Terugblik

Zijn we klaar?

“dark stuff” = 96% “good stuff” = 4% Heelal foetsie!

Large Hadron Collider

σ Werkzame doorsnede LHC: Eenheid is “barn”=10-24cm2 1 b = 10-30 cm2 1 nb = 10-33 cm2 1 pb = 10-36 cm2

σ ???? Werkzame doorsnede LHC:

Aantal botsingen per seconde: σ L N2 Aantal botsingen per seconde: LHC: Luminositeit

Botsingenergie om een bijvoorbeeld een Higgs deeltje te maken LHC: Energie

+2/3 -1/3 LHC: Wat botst er?

LHC: Ongeluk 2008

Moeten we bang zijn? Large Hadron Collider

γ W+/- Z g Higgs boson? Vier Microscopen

γ W+/- Z g Higgs boson? ATLAS

10:19 hrs: Beam hits closed collimater 140 m upstream 10 september 2008 10:19 hrs: Beam hits closed collimater 140 m upstream Online display Offline display

CMS

γ W+/- Z g Higgs boson? LHCb

γ W+/- Z g Higgs boson? ALICE

Speculatie

Wat moeten wij daar nou weer mee?

Keerpunt 1 De orde der dingen in 1895: De Natuurkunde is af! De wereld van het Periodiek systeem Moleculen en atomen Je gelooft iets dat je niet kan zien Zwaartekracht en Elektromagnetisme Hoe vind je uit hoe de Natuur werkt? Empirische wetenschap. Newton Coulomb, Faraday, Maxwell De Natuurkunde is af! Ontdekkingen: Thomson: elektron Rutherford: hoe ziet het atoom er uit? Bohr model waterstof Leesstof T&H: hoofdstuk5 & hoofdstuk 8

Keerpunt 2 Quantum & Relativiteit Natuurkunde op de schop 1900-1930 Tijdperk van de grote ontdekkigen Hoe zoek je naar het kleinste deeltje? Botsende deeltjes met veel energie Vaak botsen Nieuwe orde - 2009 Quarks en leptonen Vier krachten Zwaartekracht Elektromagnetisme Zwakke kernkracht: W en Z deeltjes Sterke kernkracht: het gluon Leesstof T&H: hoofdstuk 13

Keerpunt 3 Wankele orde: De orde omver? Nieuwe ontdekkingen? Wat moet je met de zwaartekracht? Waar is het Heelal? De orde omver? LHC versneller Hoe ziet een grote versneller er uit? Wat gaat er gebeuren als twee protonen botsen? Hoe staat het er nu voor? Mega Detectoren De ogen van de deeltjes-fysicus: Je gelooft weer iets dat je niet kan zien! ATLAS: Hoe ziet het eruit? Hoe werkt het? Hoe staat het er voor? LHCb Nieuwe ontdekkingen? Higgs deeltje Super Symmetrie Outer space…. Leestof T&H: niet van toepassing