Materie – bouwstenen van het heelal Prof.dr Jo van den Brand jo@nikhef.nl 14 september 2010 FEW 2010

Waar de wereld van gemaakt is De wereld kent een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie. Vraag: bestaan er fundamentele bouwstenen? (liefst een klein aantal…)

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

Deeltjes fysica Elementair sinds 1897 Elementair sinds 1974

Gewone materie Alle materie: ~100 soorten atomen De kern heeft 99.9% van de massa Het elektron is puntvormig. Protonen en neutronen zijn echter samengestelde deeltjes. De quarks lijken weer puntvormig In principe enkel `up’ en `down’ quarks nodig als bouwstenen. Verder nog 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 ms 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.

Toch bereiken muonen het aardoppervlak! 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

Ontdekt in kosmische straling door Neddermeyer en Anderson (1936) 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

In 2008: 14 TeV proton-proton botser Hoge energie materie In 2008: 14 TeV proton-proton botser Hoogste prioriteit in ons vakgebied ATLAS ALICE CMS LHCb

Wetenschappelijk programma LHC Large Hadron Collider Nikhef Wetenschappelijk programma LHC

Drie families: 1897 – 2000 – Standaard Model Massa’s van deeltjes in MeV; 1 MeV  1.81027 gram

Omega Centauri globular cluster Krachten Structuren: van protonen to sterrenstelsels Gravitatie: de bekendste kracht Hierdoor staan we op aarde en bewegen de planeten rond de zon Belangrijk in massieve objecten Elektriciteit en magnetisme Veel sterker dan gravitatie! Vormt atomen, moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen. Nieuwe krachten: Sterke kracht Zwakke kracht Omega Centauri globular cluster

Stervorming Gravitationele krachten in H2 gebieden Protostellaire objecten ontstaan door: Dalende potentiele energie en stijgende kinetische energie Verdichting kern, verhoging temperatuur en druk

protosterren Sterren ontstaan in de omgeving van sterren Bij voldoende druk, massa, temperatuur en stabiliteit onstaat er kernfusie Druk = diameter x gravitatieversnelling Temperatuur is recht evenredig met de druk

“Zwakke” Interacties – pp cyclus

De kern: de witte motor Kernfusies treden in het centrum van de Zon op. Ultieme bron van (bijna) alle energie in het Zonnestelsel. Voornaamste reactie: de pp-cyclus: 4 1H → 4He + 2γ + 2e+ + 2ν Hierbij komt per He kern 26.7 MeV vrij in γ’s. Basis gegevens: Straal = 6.96x108 m Massa = 1.989x1030 kg Lichtkracht = 3.85x1026 W Leeftijd = 4.5x109 jr Oppervlakte temperatuur: 5700 K. De Zon is een ‘normale’ ster van type G2.

Een nieuw inzicht: energie = massa 1 liter water bij 0 °C m = 1,000 kg 2 liter water bij 0 °C m = 2,000 kg Verwarm 1 liter water tot 100 °C: Δ E = 100 kcal = 418 kJ  Δ m = 0,0046 g = Δ E / c²

Fotosfeer: het zonnespectrum De fotosfeer geeft zeer belangrijke informatie over de chemische samenstelling van de Zon.

Kernfusie Lijnen van waterstof in een spectrum Lijnen van helium in een spectrum Lijnen van koolstof in een spectrum

Sterren als de zon halen energie uit kernfusie: 4 H  He + 2e + 2 + energie Per seconde zet de zon 570 000 000 000 kg waterstof om De massa van de zon neemt per seconde af met 4 300 000 000 kg!

Opbouw van de zon: Straling van kernfusie wordt in radiatieve kern naar buiten getransporteerd. Op 1/3 van de rand is dit niet meer de meest effectieve manier van transport. De Zon wordt nu convectief. Warmte wordt door gasbellen naar buiten getransporteerd.

De Zonneneutrino’s Bij elke pp-cyclus reactie komen 2 neutrino’s vrij voor elk He-atoom dat ontstaat. Jarenlang was er het neutrino-probleem: we detecteren veel minder neutrino’s dan er geproduceerd zouden moeten worden: ongeveer 1/3de. Oplossing kwam door de neutrino-oscillaties: neutrino’s kunnen van ‘kleur’ veranderen. ve  νμ  ντ

Realiseer kernfusie op aarde 100 miljoen oC 500 MW vermogen The way to go…. ITER Realiseer kernfusie op aarde 100 miljoen oC 500 MW vermogen 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. Kosten: constructie $ 2.755M bedrijf $ 3.760M (20 jaar) afvoeren $ 335M

Nucleosynthese – Big Bang en in sterren

Nucleosynthese in supernovae 3 x 106 km, 300 s Ni synthese 4000 km 32 x 106 km, 3 uur

Supernova

Neutrino fysica – Superkamiokande

Neutrino fysica – Borexino in Gran Sasso

Kosmische neutrino’s – Antares en KM3NET

Kosmische neutrino’s – Amanda en Icecube