Jo van den Brand 26 september 2013 Deeltjes en velden HOVO Cursus   Jo van den Brand 26 september 2013 jo@nikhef.nl

Overzicht Docent informatie Rooster informatie Boek en website Jo van den Brand & Gideon Koekoek Email: jo@nikhef.nl en gkoekoek@gmail.com 0620 539 484 / 020 592 2000 Rooster informatie Donderdag 10:00 – 13:00, HG 08A-05 (totaal 10 keer) Collegevrije week: 24 oktober 2013 Boek en website David Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley and Sons, ISBN 978-3-527-40601-2 (2008) Zie website URL: www.nikhef.nl/~jo Beoordeling Huiswerkopgaven 20%, tentamen 80%

Deeltjesfysica `De studie van Materie, Energie, Ruimte en Tijd’ Unificatie Gravitatie Kosmische Connecties Ambities van de Elementaire Deeltjesfysica

Palet van deeltjesfysica We hebben veel gereedschap tot onze beschikking van moderne versnellers tot satellieten in de ruimte tot experimenten diep ondergrond. Accelerator LHC Magnet Space Subterranean SNO, Antares, Icecube The science requires forefront accelerators at the energy and luminosity frontiers. But, it also requires innovative experiments in space, underground, and away from accelerators.

Recente ontdekkingen wijzen naar een nieuwe wereld Heelal bestaat uit `dark particles’, onbekend en het zijn geen atomen. Een vreemde `dark force’ doordringt de ruimte en drijft die uit elkaar. Krachtige nieuwe ideëen Nieuwe deeltjes Nieuwe krachten Verborgen dimensies String theorie voorspelt dat er zeven extra ruimtelijke dimensies wachten om ontdekt te worden.

Inhoud Inleiding Relativistische kinematica Quantumfysica Deeltjes Interacties Relativistische kinematica Speciale relativiteitstheorie Viervectoren Energie en impuls Quantumfysica Formalisme Spin van deeltjes Structuur van hadronen Symmetrieën Behoudwetten, quarkmodel Symmetriebreking Veldentheorie Lagrange formalisme Feynman regels Quantumelektrodynamica Diracvergelijking Quarks en hadronen Quantumchromodynamica Elektrozwakke wisselwerking Higgs formalisme Relativistische quantumveldentheorie

Inleiding: waar de wereld uit bestaat De wereld om ons heen en het Universum zijn opgebouwd uit een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie die gewoon waren in het prille begin van het Universum. Het is verrassend dat deze grote varieteit bestaat uit een relatief klein aantal eenvoudige bouwstenen.

Concept: atoom Zuiver filosofisch denken

Het concept van elementen In de filosofie van Aristoteles waren er vier elementen The first attempt seems to have come from ancient Greece where the four elements of earth, water, air and fire were recognized. This scheme is quite attractive at a trivial level and if you get bored during the rest of the talk you could amuse yourselves constructing some of the objects around us from these four elements. However during the last few hundred years a more useful idea of elements developed. Substances such as gold, sulphur, lead, nitrogen were recognized as elemental in the sense that they were contained in different substances in different mixtures but could not themselves be broken down further. By the beginning of the last century Dalton had identified twenty elements and listed them together with their relative weights. Dalton (1808) rangschikte, op gewicht veel van de elementen die we vandaag kennen

Het periodieke systeem However the definitive word was given by Mendeleev in 1869 when he arranged the known elements in a beautiful pattern. Moreover his pattern was predictive in that some elements were missing with properties that could be predicted. All were later discovered. Thus by the end of the last century the concept of elements was well developed. The smallest piece of an element was known as an atom with atoms imagined as small spheres. However 100 years ago the electron was discovered and it became clear that it not only played an important role in electricity but was also contained inside atoms, i.e. atoms have sub-structure. Mendeleev (1869) introduceerde het periodieke systeem

De structuur van atomen Rutherford (1912) toonde aan dat atomen een centrale kern bevatten 10-10 m However it was in 1912 that the New Zealander Ernest Rutherford gave us our modern view of the atom when he showed that atoms have a positive nucleus surrounded at a relatively large distance by the electrons, a picture that everyone today recognizes as the symbol for the atom. The photograph shows Rutherford in his lab. The sign says ‘Talk softly please’ supposedly put there because the detectors were sensitive to noise. However the more likely explanation is that it was aimed at Rutherford by his colleagues, since he was renowned for his booming voice. Now it became clear what differentiates the elements - the number of electrons and the charge on the nucleus - for example hydrogen has one electron, helium has two, carbon six, lead eighty-two etc. However the story doesn’t stop there. Elektronen draaien rond de kern met precies gedefinieerde energie en slecht gedefinieerde posities

Deeltjesfysica Elementair sinds 1974 Elementair sinds 1897 Reductionisme

Gewone materie Alle materie bestaat uit bijna honderd soorten atomen De kern bestaat uit positieve protonen en neutrale neutronen – elk zo’n 2000 keer zwaarder dan het elektron. Het elektron lijkt geen interne structuur te hebben. Protonen en neutronen zijn echter samengestelde deeltjes. De quarks lijken weer geen structuur te hebben. Enkel twee soorten quarks, `up’ en `down’ genaamd, zijn nodig om het proton en neutron te bouwen (met ladingen +2/3 and -1/3 ten opzichte van de lading van het elektron van -1. Er is nog een structuurloos deeltje nodig om het beeld compleet te maken. Het elektron-neutrino.

Kosmische materie Theodore Wulf Jezuit uit Valkenburg Victor Hess ontdekt `kosmische’ straling. Nieuwe soorten deeltjes worden gevonden: vooral muonen. Muon lijkt op elektron maar dan 200 keer meer massa. leeft gemiddeld 2.2 us en vervalt in een elektron en twee neutrale deeltjes. De muonen komen van het verval van kortlevende deeltjes, die soms een derde type quark bevatten: het vreemde quark. Kosmische materie: naast `gewone’ materie ook muon, muon-neutrino en het vreemde quark.

Deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) maken een regen van secundaire deeltjes in de atmosfeer Een muon leeft 2.2 sec. Welke afstand kan het dan met de lichtsnelheid bewegend afleggen? (3x108 m/s)(2.2 x 10-6 s) = 660 m. Toch bereiken muonen het aardoppervlak!

Albert Einstein (1879 – 1955) Relativiteitstheorie • Equivalentie van massa en energie: E = m c² • Bewegende klokken lopen langzamer: t =   (  > 1 )

Muonen zichtbaar maken met vonkenkamer

Het muon Ontdekt in kosmische straling door Neddermeyer en Anderson (1936) Lijkt identiek aan het elektron, maar 200 keer zo massief Vervalt binnen 2.2 msec By 1936 Anderson had made yet another discovery in his cloud chamber - a completely new particle, seemingly identical to the electron but 200 times as heavy. This particle is produced in the cosmic radiation that continually bombards the earth but lives for only about a millionth of a second, decaying by a radioactive decay process. It seems to have no use at all in the Universe - an idea beautifully expressed by Isidore Rabi with the question ‘Who ordered that?’ This is still a challenging question as I hope will become apparent later. ‘Who ordered that?’ - I I Rabi

Hoge energie materie In 2013: 8 TeV proton-proton botser Hoogste prioriteit in ons vakgebied ATLAS ALICE CMS LHCb

Large Hadron Collider Nikhef Wetenschappelijk programma LHC

Drie families: 1897 - 2000 quarks leptonen Massa’s van deeltjes in MeV; 1 MeV  1.81027 gram

Quarks en leptonen Quarks Leptonen

Samenvattend: de acteurs

Interacties - dynamica

Omega Centauri globular cluster Krachten De bouwstenen van de natuur vormen structuren, van protonen to sterrenstelsels. Dit komt omdat deeltjes met elkaar wisselwerken. De bekendste kracht is gravitatie. Hierdoor staan we op aarde en bewegen de planeten rond de zon. Gravitatie is met name belangrijk in massieve objecten en is zwak tussen individuele bouwstenen. Een sterkere fundamentele kracht manifesteert zich in de effecten van elektriciteit en magnetisme. De elektromagnetische kracht bindt negatieve elektronen aan de positieve kernen in atomen. Het geeft ook aanleiding tot de vorming van moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen. Omega Centauri globular cluster

“Zwakke” wisselwerking

Interacties: QED, QCD, EZ, Gravitatie EM Gravitatie

Feynman diagrammen - QED tijd Elementair process - vertex - propagator - asymptotische toestand - structuur qq - antideeltje notatie Møller scattering Bhabha scattering Feynman 1965

Feynman diagrammen - QED Bhabha scattering +

Feynman diagrammen - QED Paar annihilatie Paar productie Compton verstrooiing Hierbij wordt gebruik gemaakt van crossing symmetry: als A + B  C + D toegestaan, dan is ook A + C  B + D dynamisch toegestaan.

Feynman diagrammen - QED Hogere-orde bijdragen tot de overgangsamplitude Interne deeltjes zijn virtueel (niet waarneembaar) Elke vertex levert een factor 1/137

Feynman diagrammen - QED Meest nauwkeurige natuurkundige theorie Vele tientallen jaren rekenarbeid Precisie: 10 significante cijfers! Perfecte overeenstemming met experimenten

Feynman diagrammen - QCD Elementair process - structuur qgq - vertex koppeling (~1) Gluonen dragen kleurlading Gluonen hebben zelfkoppeling D.J. Gross H.D. Politzer F. Wilczek 2004

QCD voorbeeld Kleurspinoren Interactie Gell-Mann matrices Kracht tussen twee blauwe quarks door gluon uitwisseling Kleurspinoren Interactie Gell-Mann matrices Kracht tussen 2 blauwe quarks wordt overgebracht door gluon Corresponderende operator Sterkte van de koppeling

Feynman diagrammen - QCD Kracht tussen twee quarks door gluon uitwisseling Kracht tussen twee protonen Een quark uit een proton trekken Confinement

Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht Lepton: geladen vertex Quark: geladen vertex Of absorbeer een W+ Voorspeld door GWS Lepton: neutrale vertex Quark: neutrale vertex Geen flavor changing neutral currents!

Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht Glashow Weinberg Salam 1979 Nodig voor de interne consistentie van de Glashow, Weinberg en Salam (GWS) theorie Geladen Ws koppelen aan het foton

Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht Muon-neutrino verstrooiing Muon verval Rubbia Van der Meer 1984 Neutrino verstrooiing Ontdekking van Z op CERN (1973) Correctie op de Coulomb interactie

Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht Semi-leptonisch proces Pion verval Neutron verval

Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht Verval van neutrale Delta: via zwakke wisselwerking Verval van neutrale Delta: via sterke wisselwerking

Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht Martinus Veltman Gerard ‘t Hooft 1999 Neutrino scattering Het lijkt eenvoudig dat quarks de elektrozwakke wisselwerking op dezelfde wijze als leptonen ondergaan Niet helemaal …