Jo van den Brand 27 Oktober, 2009 Structuur der Materie Elementaire Deeltjesfysica FEW Cursus   Jo van den Brand 27 Oktober, 2009 Structuur der Materie

Overzicht Docent informatie Rooster informatie Boek en website Jo van den Brand Email: jo@nikhef.nl 0620 539 484 / 020 598 7900 Kamer: T2.69 Rooster informatie Dinsdag 13:30 – 15:15, F654 (totaal 7 keer) Vrijdag 13:30 – 15:15, F654 (totaal 7 keer) – Tjonnie Li 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% Jo van den Brand

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

Palet van deeltjesfysica We hebben veel gereedschap tot onze beschikking van moderne versnellers tot satellieten in de ruimte tot experimenten diep ondergronds. 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. Najaar 2008 Jo van den Brand

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. Jo van den Brand

Inhoud Inleiding Relativistische kinematica Symmetrieën Deeltjes Interacties Relativistische kinematica Lorentz transformaties Viervectoren Energie en impuls Symmetrieën Behoudwetten Quarkmodel Discrete symmetrieën Feynman berekeningen Gouden regel Feynman regels Diagrammen Elektrodynamica Dirac vergelijking Werkzame doorsneden Quarks en hadronen Elektron-quark interacties Hadron productie in e+e- Zwakke wisselwerking Muon verval Unificatie Relativistische quantumveldentheorie Jo van den Brand

Inleiding: waar de wereld van gemaakt is 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 gemaakt is van een relatief klein aantal eenvoudige bouwstenen. Jo van den Brand

Concept: atoom Zuiver filosofisch denken Jo van den Brand

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 Jo van den Brand

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 Jo van den Brand

Deeltjesfysica Elementair sinds 1974 Elementair sinds 1897 Reductionisme Jo van den Brand

Gewone materie Alle materie is gemaakt van 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. Jo van den Brand

Kosmische materie Theodore Wulf: meer straling in de top van de Eiffel toren dan op de grond. Studies op bergtoppen en met ballonnen: `kosmische’ straling door showers van hoog-energetische protonen. Nieuwe soorten deeltjes worden gevonden. Op de grond vooral muonen. Dat zijn net elektronen, maar dan 210 keer zwaarder. De muonen komen van het verval van kortlevende deeltjes, die soms een derde type quark bevatten: het vreemde quark. Dus behalve het elektron, elektron-neutrino, up quark en down quark, hebben we het muon, muon-neutrino en het vreemde quark nodig. Jo van den Brand

Muonen zichtbaar maken met vonkenkamer Jo van den Brand

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 Jo van den Brand

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

Quarks en leptonen Quarks Leptonen Jo van den Brand

Deeltjesversnellers Jo van den Brand

Licht: golven en deeltjes 1200 E (eV) =  [nm] Zichtbaar geel licht:  = 600 nm E = 2 eV Röntgen straling:  = 0,1 nm E = 12 keV Jo van den Brand

Met zichtbaar licht kun je structuren in een cel ontrafelen (~ 1 m) Met Röntgenstraling kun je de structuur van kristallen bepalen (~ 0.1 nm) Jo van den Brand

Elektronen: deeltjes en golven Net als Röntgenstraling (links) gedraagt ook een elektronenbundel zich als een golf (rechts) 1200  [nm] = E (eV) Jo van den Brand

elektronenmicroscoop Toepassing: elektronenmicroscoop Hiermee kun je b.v. de structuur van virussen en eiwitten bestuderen ( ~ 0.01 nm) Najaar 2008 Jo van den Brand

De grootste microscoop: LHC te CERN Ring van 27 km omtrek 100 meter onder de grond 4 interactie punten waar protonen botsen Jo van den Brand

Elektron-positron botsingen Annihilatie produceert energie - mini Big Bang Elektron (materie) Deeltjes en antideeltjes worden geproduceerd Positron antimaterie g e- e+ E = mc2 Jo van den Brand

E=mc2: creatie van materie en antimaterie Als materie uit energie wordt gemaakt, dan wordt er altijd evenveel antimaterie geproduceerd Jo van den Brand

Jo van den Brand

Het foton Wat is licht? Elektrostatische afstoting van twee elektronen - elektromagnetische straling is gekwantiseerd (foton) - foto-elektische effect - Compton scattering Elektrostatische afstoting van twee elektronen - elektrostatisch veld - deeltjesuitwisseling (boodschappers) Jo van den Brand

De mesonen Waarom zijn atoomkernen stabiel? - sterke wisselwerking Yukawa (1934): uitgewisseld meson (analoog aan foton voor EM) dracht (range) a = 10-15 m mp = 140 MeV Powell (1947): ontdekking van het pion in kosmische straling Jo van den Brand

Antimaterie Jo van den Brand

De voorspelling van antimaterie Paul Dirac voorspelde het bestaan van het positron in 1928 Dirac AntiDirac The first of these is antimatter, predicted by the British theoretical physicist Dirac in 1928 when he was developing an equation to describe the behaviour of the electron. Dirac was a very shy man; you see it in his demeanour as he gives a lecture. However the respect in which he is held is shown by his plaque in Westminster Abbey, placed there in 1995, which is reputedly the only equation in the Abbey. For Dirac the equation was obvious; however he could only find a solution to it describing the behaviour of the electron if there was also another solution which seemed to describe something with negative energy. This solution he eventually ascribed to the positron, the antiparticle of the electron. De enige vergelijking in Westminster Abbey? Jo van den Brand

deeltjes en antideeltjes Relativistische golfvergelijking Klein-Gordon vergelijking Twee oplossingen voor de energie Golffunctie met positieve energie negatieve energie Tijdsrichting omkeren komt neer op lading omkeren: positron Jo van den Brand

Antimaterie Elk deeltje heeft antideeltje met dezelfde massa levensduur spin maar tegenovergestelde lading magnetisch moment en andere quantumgetallen Deeltjes en antideeltjes annihileren e++e-  + Maar ook gecreeerd worden   e++e- Four years later the positron was discovered by the American Carl Anderson in one of his pictures of the tracks of particles in a detector known as a cloud chamber. This device was in a magnetic field produced by the coils of cable you see in the photograph. The magnetic field has the effect of bending charged particles. From the direction of bend it is deduced that the particle has positive charge. From the amount of energy it loses as it passes through the plate in the middle of the chamber it is possible to deduce its mass. Note the size of his detector. Later we will see others, somewhat larger, but with similar features. We now know that all particles have antiparticles and I will now take a minute or two to discuss antimatter since it is not just the stuff of Star Trek science fiction, it is also science fact. Voorbeeld: positron Jo van den Brand

Productie van e+e- paren Het paarcreatie proces, waarbij g-straling overgaat in een elektron-positron paar e + - The inverse to the annihilation process also occurs and g-rays with sufficient energy can convert to matter and antimatter. We can sketch it using a simple line drawing again. Evidence that it occurs is found on another of Anderson’s beautiful cloud chamber pictures where we see three g -rays have converted to electron-positron pairs just outside the cloud chamber. Jo van den Brand

De ontdekking van antimaterie Four years later the positron was discovered by the American Carl Anderson in one of his pictures of the tracks of particles in a detector known as a cloud chamber. This device was in a magnetic field produced by the coils of cable you see in the photograph. The magnetic field has the effect of bending charged particles. From the direction of bend it is deduced that the particle has positive charge. From the amount of energy it loses as it passes through the plate in the middle of the chamber it is possible to deduce its mass. Note the size of his detector. Later we will see others, somewhat larger, but with similar features. We now know that all particles have antiparticles and I will now take a minute or two to discuss antimatter since it is not just the stuff of Star Trek science fiction, it is also science fact. Anderson (1932) ontdekte het door Dirac voorspelde positron Jo van den Brand

Het ATHENA experiment op CERN CERN 1996: 9 antiatomen gemaakt, maar deze verdwenen snel CERN experiment ATHENA in 2002: 50.000 antiatomen waterstof gemaakt Start Trek’s warp drive? Alle antiatomen op CERN gemaakt in een jaar: 100 W lamp, kwartier Jo van den Brand

Neutrino’s Jo van den Brand

Twee-deeltjes verval d  1 + 2 227Th  223Ra + a Discreet spectrum Jo van den Brand

Drie-deeltjes verval d  1 + 2 + 3 64Cu  Zn/Ni + e + n Energiebehoud geschonden? Pauli (1930)postuleert het bestaan van een neutrino! Ontdekt in 1959 door Cowan and Reines Het elektron energiespectrum Jo van den Brand

Behoud van lading Verval van elektron: t > 4.6 1026 jaar Lading is veelvoud van e Additief quantumgetal Ladingsbehoud  corresponderende symmetrie? Lading quarks: Qu = +2/3 en Qd = -1/3 Isospin: u en d quarks hebben isospin ½ Up quark heeft projectie + ½ en down quark - ½ Jo van den Brand

Behoud van baryongetal Proton is ook stabiel t > 2.1  1029 jaar Baryongetal B = 1 voor p en n quarks B = 1/3 antiquarks B = -1/3 Leptonen, mesonen hebben B = 0 Jo van den Brand

Behoud van leptongetal Observatie: verval treedt in paren op: e+e-, m+m-, t+t- Voer leptongetallen in Le , Lm , Lt spin neutrino: 1/2 Verschil tussen neutrino’s en antineutrino’s? Jo van den Brand

Cowan en Reines: detectie neutrino Basisidee van experiment Gebruik antineutrino’s Kernreactor als bron (700 MW) Detector: 200 liter water + CdCl2 Vloeistofscintillatoren (3 - 1400 liter elk) Resultaat: Jo van den Brand

Davis: detectie neutrino Bij dezelfde reactor gemeten: reactie verloopt niet! Neutrino’s van de zon induceren de reactie: Neutrino’s en antineutrino’s zijn verschillende deeltjes Echter: flux factor 2 – 3 te laag! Opgelost: neutrino oscillaties! Neutrino’s hebben massa!!! Jo van den Brand

Zware neutrino’s Pion verval Antideeltjes hebben dezelfde levensduur en B.R. Reacties B.R. < 10-12 treedt niet op Najaar 2008 Jo van den Brand

Vreemdheid Jo van den Brand

Kaonen K+ C.F. Powell 1950 k Najaar 2008 Jo van den Brand

Vreemdheid Nieuwe mesonen en baryonen Eenvoudig in paren te produceren (`associated production’) Sterke wisselwerking Additief quantumgetal S (vreemheid): s-quark Lange levensduur Zwakke wisselwerking Najaar 2008 Jo van den Brand

Ontdekking anti-omega-min baryon Produceer deeltje met vreemdheid S = 3 Verval via Najaar 2008 Jo van den Brand

Quarkmodel: The eigthfold way Jo van den Brand

meson en baryon multipletten Quarksystemen: hadronen meson en baryon multipletten qq qqq pseudoscalar (JP = 0- ) octet + singlet Najaar 2008 Jo van den Brand

Quarkmodel: mesonen Mesonen qq toestanden Beschouw u, d en s Gewichtsdiagram (Y,T3) Pseudoscalaire mesonen Constante lading Jo van den Brand

Quarkmodel: pseudoscalaire mesonen Hoekpunten Centrum Najaar 2008 Jo van den Brand

Quarkmodel: vector mesonen Pseudoscalaire mesonen Menghoek 35o Deeltjes hebben grotere massa Najaar 2008 Jo van den Brand

Quarkmodel: baryonen Baryonen qqq toestanden Enkel deeltjes, geen antideeltjes Geen baryonen met positieve vreemdheid Groepentheorie Jo van den Brand

Quarkmodel: octet Octet Deeltjes stabiel in sterke wisselwerking Massaformule Najaar 2008 Jo van den Brand

Quarkmodel: decouplet SU(3) kleur Pauli principe Omega-min Najaar 2008 Jo van den Brand

Meson massa’s Berekend met constituent quark massa’s en kleur-magnetische massa splitsing: vrije parameters: constituent q massa’s: Najaar 2008 Jo van den Brand

Baryon massa spectrum -  mass splitsing 80 MeV/c2 vanwege spin-spin interactie uds usd Systematiek leidt tot empirische massa formules Jo van den Brand

Zware quarks: c, b en t J/ - meson SU(4) klassificatie Najaar 2008 Jo van den Brand

 meson Why J … Jo van den Brand

Samenvattend: de acteurs Jo van den Brand

Quarks en leptonen Quarks Leptonen Jo van den Brand