De LHC: Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef) 25 mei 2012

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Deeltjesfysica Bestudeert de natuur op afstanden < m atoom kern Quantum theorie beschrijft alle metingen tot m (Ter vergelijk: m = 100 lichtjaar) m

Machten van tien … Heelal m Melkweg m Zonnestelsel m Aarde 10 7 m Spin m Atoom m Kern m Botsingen m

Elementaire deeltjes fysica Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden:  Wat zijn de bouwstenen van de materie ?  Welke krachten werken op deze bouwstenen ? Demokritos atoom Newton krachten Maxwell electromagnetisme Einstein van alles… 400 v.Chr

Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek –Kan leiden tot verrassingen, Soms zelfs nuttig… Maar per definitie van te voren onbekend “Zonder relativiteits- theorie zit de GPS er 10km/dag naast!”

Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek –Heeft nuttige bij-effecten Medische toepassingen Internet Opleiden van onderzoekers voor de maatschappij (Philips, ASML, etc, etc) PET scanwww

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

De stand van zaken in maart pdg.lbl.gov

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

Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen? periodiek systeem van Mendeleev Alles!

De elementaire deeltjes quarks Niet één serie, maar drie! leptons (1956) u d I e e (1895) t b III   (1973) (2000) (1978) (1995) c s II   (1936) (1963) (1947) (1976)

De elementaire deeltjes Lading + 2/3 e - 1/3 e - 1 e 0 e quarks Generatie: leptons Materie (1956) u d I e e (1895) t b III   (1973) (2000) (1978) (1995) c s II   (1936) (1963) (1947) (1976)

Fundamentele deeltjes en deeltjesversnellers Is dit alles? Lading + 2/3 e - 1/3 e - 1 e 0 e quarks Generatie: leptons Materie (1956) u d I e e (1895) t b III   (1973) (2000) (1978) (1995) c s II   (1936) (1963) (1947) (1976)

Anti-materie Revoluties begin vorige eeuw: –Relativiteitstheorie –Quantum Mechanica Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie! Voor elk materiedeeltje bestaat een anti-materiedeeltje! Anti-materie deeltje: Zelfde massa Tegenovergestelde lading

De elementaire deeltjes Lading + 2/3 e - 1/3 e - 1 e 0 e quarks leptons Materie (1956) u d I e e (1895) t b III   (1973) (2000) (1978) (1995) c s II   (1936) (1963) (1947) (1976)

De elementaire deeltjes - 2/3 e + 1/3 e + 1 e 0 e u d c s t b e   e   Anti-materie Lading III I II Lading + 2/3 e - 1/3 e - 1 e 0 e quarks leptons Materie (1956) u d I e e (1895) t b III   (1973) (2000) (1978) (1995) c s II   (1936) (1963) (1947) (1976)

Hoe maak je anti-materie?? e+e+ e-e- Albert Einstein: E=mc 2 materie + antimaterie = licht ! (en vice versa) e+e+ e-e-

Anti-materie in ziekenhuizen: de PET-scan e+e  e+e  e+e  e+e  

Wat snappen we nog niet:

I. Wat snappen we nog niet? “Anti-materie” Waar is de anti-materie gebleven? Geen anti-materie met satellieten Geen anti-materie sterrenstelsels

II. Wat snappen we nog niet? “Higgs” Massa van deeltjes Neutrino’s Elektron Muon Tau up,down, strange Top quark bottom charm Het Higgs boson: zorgt ervoor dat deeltjes massa kunnen hebben in de theorie Bijzondere voorspelling:

We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd! Temperatuurfluctuaties structuur van het heelal Rotatie-curves Gravitationele lens Wat is de donkere materie ? III. Wat snappen we nog niet? “Donkere materie”

Wat snappen we niet? Drie Grote Vragen Anti-materie?? (waar is het gebleven) Donkere materie?? (wat klonterde de sterrenstelsels) Higgs?? (wat maakt deeltjes zwaar)

Waar is de Anti-materie heen?AstronomieDeeltjesfysicaFundamenteel (nieuwsgierigheid gedreven) onderzoek

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

De LHC deeltjesversneller Geneve

De Large Hadron Collider GeneveAmsterdam LHC: 27 km A10: 32 km

The LHC machine Energie is gelimiteerd door de kracht van 1232 dipool magneten: B= 8.4 T

Logistieke nachtmerrie maar gelukt

Bundel 1 Bundel 2 40 miljoen botsingen per seconde

Klassiek botsen Quantummechanisch botsen proton

Niels Tuning Open Dag 2008 Botsingen van Deeltjes

Wat verwacht je ? Al 30 jaar bestaan er precieze wiskundige voorspellingen!

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

Hoe zien die botsingen er nou uit ? proton quark neutrino elektron quark Simulatie top quark productie

ATLAS LHCb ALICECMS

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

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

De Atlas Muon Detector mens Nikhef CERN Beneden in de Nikhef hal

Normaal Hoe ontdek je nou nieuwe dingen Nieuw ? Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector ? muon

Higgs  ZZ  4 leptonen klein aantal schitterende botsingen Higgs bosonen Met Higgs 68 events 4-lepton massa 4-lepton massa (GeV) m H = 150 GeV m H = 190 GeV m H = 360 GeV ‘overig’ 52 events Maar 1 op de 1000 Higgs bosonen vervalt naar 4 leptonen 50% kans dat ATLAS detector ze allemaal goed terugvindt 16 Higgs  4 lepton events higgs Z Z h  ZZ  l + l - l + l - l+l+ l-l- l-l- l-l-

γγ invariante massa (GeV) ATLAS Preliminary Hypothetisch Higgs signaal (m h = 120 GeV) Hypothetisch Higgs signaal (m h = 120 GeV) ATLAS Preliminary γγ invariante massa (GeV) piekje ? Higgs  2 fotonen higgs foton h  γγ verval

De LHCb Outer Tracker Beneden in de Nikhef hal

23 sep :49:24 Run Event The LHCb Detector

LHCb: onderzoek B-verval 1)Vindt verschillen tussen materie en anti-materie 2)Vindt nieuwe deeltjes b s s b b s μ μ

LHCb: onderzoek B-verval 2)Vindt nieuwe deeltjes b s μ μ B 0 s → μμ B 0 s → μμ?

Wat is donkere materie? Waar is de anti-materie gebleven? Waarom is zwaartekracht zo gek ? De grote vragen Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

EINDE