Elementaire Deeltjes in het Standaard Model en…? Bob van Eijk, Nikhef/UT Master Class, 5 maart 2010

430 - 400 jaar B.C. “Er is niets anders dan atomen en ruimte, al het andere is een mening” - Democritus van Abdera

“De alchemisten”

~1869: “Het periodiek systeem” Dmitry Ivanovich Mendeleyev Julius Lothar Meyer

~1900: Boltzmann’s atoom Ludwig Boltzmann Boltzmann, een briljante Oostenrijkse theoretisch fysicus, bedenkt een theorie die de atoomhypothese ondersteund. Hij ondervindt zoveel oppositie dat hij hierdoor gedeprimeerd raakt. Na zijn zelfmoord op 5 september 1906 haalt hij postuum alsnog zijn gelijk…

“Klein zien” De golflengte van de straling waarmee een object onderzocht wordt moet kleiner zijn dan de afmetingen van het object zelf! De Broglie (1924): golflengte ~ 1/p met p=impuls (energie) Hoge energie = klein object

Atomen “zichtbaar” maken Natrium en chloor atomen geordend in een rooster Atomen worden zichtbaar gemaakt m.b.v. een scanning elektronen microscoop

Het atoom… 1897 elektron (Thomson) 1911 kern (Rutherford) 1911 proton 1932 neutron (Chadwick)

…en afmetingen? 1010 m 1011 m 1014 m 1015 m ?

Chaos in de kern… Materie is opgebouwd uit atomen Een atoom bestaat uit elektronen, neutronen en protonen; de rest is lege ruimte (vacuüm) Een proton is een combinatie van twee up-quarks en een down-quark Een neutron is een combinatie van een up-quark en twee down-quarks Een diepere kijk in protonen en neutronen laat zien dat het er krioelt van quarks, anti-quarks en gluonen

“Bouwstenen der materie” Cellen Twintig per mm DNA Vijf honderd duizend per mm De kern Vijf honderd miljard per mm Quarks Meer dan een miljoen miljard per mm Extra vergroting? x 2 duizend x 25 duizend x 1 miljoen Elektronen microscoop Deeltjes versneller 2 fm < 1 am 50 μm 2 nm Microscoop

Quarks… 1963: De eerste 3 quarks worden geponeerd (“up”, “down” en “strange”) 1974: Bewijs voor het bestaan van een 4e quark (“charm”) wordt gevonden. Twee experimenten rapporteren gelijktijdig de ontdekking van een nieuw deeltje (J/Ψ) 1976: Onverwachte ontdekking van een 5e quark (“bottom”) 1995: Ontdekking van het “top” quark

…en leptonen… 1897: e, het elektron 1933: , het muon 1976: , het tau(on) 1956: e, het elektron-neutrino 1962: , het muon-neutrino 2000: , het tau-neutrino (Dr. Aart Heijboer)

Drie families: 1897-2009 Deeltjes massa gemeten in MeV; 1 MeV  1.81027 gram

Fundamentele krachten… Krachten worden overgedragen door “deeltjes”

…6 quarks en 6 leptonen… (“een nieuw periodiek systeem”) μ τ νe νμ ντ u c t d s b quarks leptonen

…elektromagnetische kracht… u c t d s b e μ τ νe νμ ντ  quarks leptonen foton

…zwakke kracht… (“radioactieve verval”) u c t d s b e μ τ νe νμ ντ W Z vector bosonen quarks leptonen

…sterke kracht… (“sterke kernkracht”) u c t d s b e μ τ νe νμ ντ g quarks leptonen gluonen

…en de zwaartekracht (“gravitatie”) u c t d s b e μ τ νe νμ ντ G quarks leptonen graviton?

Deze kennis verklaart veel van hoe onze directe omgeving opgebouwd is… Een reis naar het begin van de tijd… …maar, verklaart het ook het ontstaan van ons melkwegstelsel, ons universum?

Wat weten we van ons heelal? Oerknal nu Ouder ….. groter … kouder … lokaal minder energie

Wat weten we van het jonge heelal? Hoge temperaturen Opgebouwd uit de fundamentele bouwstenen van de materie Bestudeer deze fase met deeltjes fysica en versnellers

Materie en antimaterie Oerknal: start met gelijke hoeveelheden materie en antimaterie (E = mc2) Nu: wij (materie) bestaan; waar is de anti-materie gebleven? WMAP Materie en antimaterie “annihileren” 100% van de massa wordt omgezet in energie! When matter and antimatter meet they annihilate with tremendous energy. Quarter of a gram of antimatter would release the equivalent of 5 kilotons of TNT if it met quarter of a gram of matter. Cosmic microwave background – remnant of all the last matter – antimatter annhilations a minute after the birth Of the universe. Somehow the imbalance between matter and antimatter happened within that first minute, and we don’t yet understand why. We are the bit left over, and its LHCb’s job to discover how that happened. 2.726 K

Waar is de antimaterie? Materie en antimaterie moeten in gelijke hoeveelheden gecreëerd zijn Het subtiele verschil tussen materie en antimaterie kan met deeltjesversnellers bestudeerd worden Experimenteel geverifieerd: ieder quark heeft een antiquark partner; ieder lepton heeft een antilepton partner (Dr. Aart Heijboer; zwakke wisselwerking en neutrino’s)

Krachtige deeltjesversnellers …bieden een telescoop op het vroege heelal… …tot een miljardste deel van een seconde na de oerknal…!

De samenstelling van het heelal? Leeftijd heelal? ~ 14 miljard jaar Afmeting van het heelal? ~ 14 miljard lichtjaar ~ 1.4 x 1026 m (1 lichtjaar ~ 1016 m) Hoe leeg is het heelal? minder dan 1 atoom/m3 (in schijf van melkweg 5/cm3) Hoeveel atomen bevat het heelal? ca 1079 atomen

Materie en energie in het heelal X ray Grav. lens Donkere energie 73% 23% Koude donkere materie kosmische versnelling Donkere baryonische materie (3.5%) Normale materie: sterren (0.4%)

Antimaterie… …en “donkere materie” “Super Symmetrie” c t d s b e μ τ νe νμ ντ W Z  g ~ (s) u c t d s b e μ τ νe νμ ντ W Z  g quarks leptonen bosonen

Wat is massa? Higgs, een Engelse theoretisch fysicus, bedenkt een theorie waardoor elementaire deeltjes massa (“gewicht”) krijgen. Zijn theorie impliceert het bestaan van een nieuw (Higgs) deeltje! Deeltje nog niet ontdekt! Peter Higgs Cruciale vraag: hoe zwaar is dit deeltje zelf…?

Het `Higgs’ beeld van massa In het `echte vacuum’ zijn alle deeltjes massaloos (dus: v = c) `Ons’ vacuum is niet echt leeg, maar gevuld met het Higgs veld Deeltjes hebben interactie met Higgs veld: hierdoor bewegen ze langzamer ze krijgen op die manier massa !

Het gewicht van nat licht (Ronald Kleiss – Nijmegen) lucht (`vacuum’) E = 2 eV v = c m = 0 Einstein m2c4 = E2 (1-v2/c2)

Het gewicht van nat licht lucht (`vacuum’) E = 2 eV v = c m = 0 m2c4 = E2 (1-v2/c2) water

Het gewicht van nat licht lucht (`vacuum’) E = 2 eV v = c m = 0 m2c4 = E2 (1-v2/c2) E = 2 eV v = 0.75 c water

Het gewicht van nat licht lucht (`vacuum’) E = 2 eV v = c m = 0 m2c4 = E2 (1-v2/c2) E = 2 eV v = 0.75 c m = 1.5 eV !! water

Weten we dan helemaal niets van het Higgs deeltje?

Weten we dan helemaal niets van het Higgs deeltje?

De Higgs in proton-proton botsingen q H W Z0 - +

Botsings- experimenten… …een wereld van nieuwe deeltjes!

CERN Europees Laboratorium voor Deeltjes Fysica Map © Google European laboratory for particle physics. On the swiss-french border. ‘s Werelds grootste (deeltjes) fysica lab Samenwerking startte in 1954 Multinationaal lab op Zwitsers-Franse grens Nikhef en aantal NL-universiteiten nemen deel

De Large Hadron Collider (LHC)

…100 meter en meer onder het maaiveld…

De “Large Hadron Collider” proton-proton botsingen bij 14 TeV LHCb CMS ALICE ATLAS 26.7 km omtrek start: najaar 2009

Wat betekent 1 eV aan “energie”? Bewegende luchtmoleculen 1/40 eV Licht van een lamp ~ 1 eV Röntgen apparaat in ziekenhuis ~ 1 keV (103) Radioactieve bron 1 – 10 MeV (106) Lage energie kosmische straling 1 GeV (109) “Large Hadron Collider” 14 TeV (1012) Ultra hoge energie kosmische straling ~ 1020 eV Energy Scale in Electron Volts

De grote vraagstukken: Hoe krijgen deeltjes hun massa? Waar is alle antimaterie gebleven? Waar bestaat donkere materie uit? Wat voor verrassingen heeft de natuur voor ons nog in petto?

Of een anti-materie bom ? ATLAS.ch/angels en AngelsAndDemons.com http://angelsanddemons.cern.ch/ Tussen haakjes, het kost CERN ~ 2 x 109 jaar om een 1/2 gram anti-materie te produceren ~ 10 ktons TNT) 46 TM & © 2009 Columbia Pictures Industries, Inc. All Rights Reserved. 46