Grenzen aan het extreme Ed vd Heuvel ‘van oerknal tot uitdijend heelal’ elementaire deeltjes kosmologie Groot, groter, grootst Klein, kleiner, kleinst leven-wetenschappen

Op weg naar de kleinste bouwstenen De wereld van de elementaire deeltjes Hoe voelen die elkaars aanwezigheid? De wereld van de elementaire krachten Nog kleiner? Nieuwe krachten? De onbeantwoorde vragen van de wetenschap Hoe komen we meer te weten? Deeltjesversnellers, botsingen met extreme energieën

Op weg naar de kleinste bouwstenen De elementaire deeltjes

De wereld om ons heen Schaal: Figuur heeft grootte van 1 meter

Klein… Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10 meter Oftewel 10 cm, 10-1 m

Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/100 meter Oftewel 1 cm, 10-2 m

Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/1000 meter Oftewel 1 mm, 10-3 m Het vliegenoog is opgebouwd uit honderden ‘facetten’; het lijkt hiermee op een bijenkorf

Elk ‘facet’ is een kleine lens met daaronder lichtgevoelige cellen. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10000 meter Oftewel 0.1 mm, 10-4 m Elk ‘facet’ is een kleine lens met daaronder lichtgevoelige cellen.

Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/100000 meter Oftewel 10 m, 10-5 m Dit is de orde van grootte waarmee ultieme precisie apparatuur wordt gemaakt; grootte van een cel Tussen de facetten is een gevoelig haartje zichtbaar als sensor voor het oogoppervlak

Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/1000000 meter Oftewel 1 m, 10-6 m

Details van het celoppervlak zichtbaar gemaakt Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10000000 meter Oftewel 0.1 m, 10-7 m Details van het celoppervlak zichtbaar gemaakt

Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10000000 meter Oftewel 0.01 m, 10-8 m DNA molecuul in de kern van de cel. Het bevat al het genetische materiaal.

Verschillende atomen: Het atoom: De kleinste eenheid van een element. Diameter van ongeveer 1/10.000.000.000 m oftewel 10-10 m Elektronen omcirkelen de atoomkern Verschillende atomen: Hebben een verschillende hoeveelheid elektronen. Hebben een verschillende atoomkern

Het atoom is zo goed als leeg! Stel je maakt een model van een waterstof atoom Kern (proton) als voetbal op middenstip Arena Elementair elektron: Niet op te delen in kleinere delen! Dan: elektronen in cirkel- banen ver buiten de stadsgrenzen! Diameter proton: 1/1.000.000.000.000.000 m Oftewel 10-15 m

Atoomkernen: protonen en neutronen Waterstof-kern 1 proton, geen neutronen + geladen Gas bij kamertemperatuur Helium-kern 2 proton en 2 neutronen, ++ geladen Gas bij kamertemperatuur Lithium-kern 3 proton en 4 neutronen, +++ geladen Vast bij kamertemp

Periodiek systeem van elementen Alle materialen, gassen, vloeistoffen opgebouwd uit deze ongeveer 100 ‘elementen’

Inzoomen in atoomkern Quarks De Litium atoomkern: ‘Quarks’ als fundamentele bouwstenen van protonen en neutronen. Er zijn verschillende typen quarks; er zitten drie quarks in zowel een proton als in een neutron

Elementaire spelers Koolstof: 18 u 18 d Proton: u + u + d quark, lading=1 Neutron: u + d + d quark, lading=0 2/3 -1/3 -1 Quarks Leptonen Elektrische lading

Veel deeltjes? Einstein heeft een relatie gevonden tussen massa en energie Hiermee kan energie worden omgezet in materie Zo zijn in laboratoria veel meer deeltjes ontdekt. “gevonden” in laboratorium experimenten E=mc2 A. Einstein (1879-1955)

Kosmische deeltjes: muonen () ‘Muon kamers’ van het ATLAS experiment bij NIKHEF Muonen lijken op elektronen, maar hebben een grotere massa. Ze worden bv gemaakt door straling uit de ruimte die tegen de aard-atmosfeer botst

Materie en anti-materie Voor elk deeltje komt ook een corresponderend antideeltje voor in de natuur. Anti-deeltje heeft precies dezelfde massa Anti-deeltje heeft tegengestelde lading! Deeltje + anti-deeltje geeft pure energie Energie gelijk aan E=mc2 Pure energie kan deeltje + anti-deeltje creëren Dagelijkse kost in deeltjesversnellers: e+e+ e+eup+up

De elementaire bouwstenen Anno 2005: De elementaire deeltjes bij elkaar 1st generatie 2nd generatie 3rd generatie 2/3 -1/3 -1 2/3 -1/3 -1 Quarks Leptonen

Exotische naamgeving Quarks Leptonen Alleen up+down quark en elektron in ‘dagelijkse materie’ Quarks “Three quarks for Muster Mark!” – James Joyce, Finnigans wake Verschillende typen gevonden Up Down Strange Charm Bottom Top Leptonen Elektronen en hun zware partners (neutrino-deeltjes overgeslagen) Elektron Muon Tau Maken de atoomkernen: protonen en neutronen Eerste ‘vreemde’ quark; niet in gewone materie Gevonden in 1974 Gevonden in 1977 Gevonden in 1995 Gevonden in 1900 door JJ Thompson Gevonden in 1948 Gevonden in 1975

De wereld van de elementaire krachten Hoe voelen ze elkaar? De wereld van de elementaire krachten

Wat is een kracht? Met elke kracht wordt een ‘krachtdeeltje’ geassocieerd

Elektro-magnetische kracht Aantrekking en afstoting van elektrisch geladen deeltjes Gelijke lading afstotend – ongelijke lading aantrekkend Veel dagelijkse krachten zijn hierop terug te voeren Onderlinge aantrekking atomen Stabiliteit materialen - Spierkracht - Residu elektro-magnetische kracht in werking: Elektronen en protonen trekken elkaar aan

fotonen/sec voor communicatie Elektro-magnetisme 1000000000000000000000000 fotonen/sec voor communicatie Elektromagnetisme Elektrisch geladen deeltjes Uitwisselend kracht deeltje: fotonen,licht! Fotonen schieten door het heelal heen

Probleem met kernen Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen Protonen zijn (positief) elektrisch geladen Waarom blijven die bij elkaar ‘op een kluitje’ zitten?

Sterke kernkracht Superlijm voor quarks! Sterke wisselwerking Bindt quarks bijeen Uitwisselend krachtdeeltje: gluonen Gluonen blijven dicht bij elkaar: werkt alleen op heel korte afstand

‘Broertjes& zusjes’ van protonen en neutronen! Bouwen met quarks De sterke wisselwerking aan het werk De natuur volgt strikte regels: alleen samenstelling drie quarks – of quark-anti-quark mogelijk ‘Broertjes& zusjes’ van protonen en neutronen! Speel lego met quarks

‘Periodiek systeem’ van quarks Hoeveel samengestelde deeltjes kun je maken uit 3 quarks? (1963) De samengestelde deeltjes met u,d,s,c quarks zijn allemaal gevonden in botsingen

Radioaktiviteit Voor grote atoomkernen ‘houdt’ de sterke kracht de buitenste protonen en neutronen niet meer bijeen Er wordt een α-deeltje uitgezonden: De atoomkern is niet stabiel en valt uiteen Hier komt een heleboel energie bij vrij Maar het totale aantal protonen en neutronen blijft gelijk Twee protonen en neutronen minder α-deeltje: twee protonen en neutronen

Sporen van geladen deeltjes Glazen staafje met Americiumbron (halfwaardetijd 458 jaar) (indirekte) Rookmelder met het element Americium: Straalt α-deeltjes uit en die veroorzaken een kleine stroom. Bij rook worden de α-deeltjes geblokkeerd en de stroom stopt. Op dat moment gaat de sirene af

neutronproton+elektron (+neutrino) Nog een kernkracht! Quarks en leptonen kunnen vervallen: dwz: zij veranderen van type Bv top-quark vervalt in bottom quark etc… Quarks en leptonen met grote massa vallen uiteen in quarks en leptonen met kleinere massa Het verschil in massa wordt omgezet in energie via E=mc2 Hierdoor zijn alleen elektron en proton (met uud quarks) stabiel alle andere (uit andere ‘families’) niet. Verval van een neutron. neutronproton+elektron (+neutrino) Zwakke kernkracht

De zwakke kernkracht De krachtdeeltjes worden W+, W- en Z0 deeltjes genoemd Dit zijn krachtdeeltjes die ook zelf een massa hebben – ongeveer 100 maal de massa van een proton! Ontdekt in 1983 in Geneve (nobel prijs oa naar Simon van der Meer) pp  WX W  ee

Sterke & zwakke kernkracht Energie uit kernfusie nuclear wapens ( 1945) geneeskunde ( 19??) Branden van de zon Radio-chemische datering, kanker behandeling, ………

Samenvatting wisselwerkingen ‘Standaard Model’ 1 type beschrijving (quantumvelden ijktheorieen) 4 basis typen wisselwerkingen

Nog kleiner? Nieuwe krachten? De onbeantwoorde vragen van de wetenschap

Elementaire spelers Zijn deze quarks echt elementair?? Quarks Leptonen 3rd generatie 2/3 -1/3 -1 Waarom 3 families? Zijn er meer? Zijn deze quarks echt elementair?? 1st generatie 2nd generatie 2/3 -1/3 -1 Quarks Leptonen

Status van het Standaard Model Veel succes met het Standaard Model Prima beschrijving van alle typen botsingen Nobel prijs (1999) naar Gerard ‘t Hooft en Martinus Veltman Onderliggende wiskundige structuur Maar er mist iets: Het ‘Standaard Model’ voorspelt het bestaan van het Higgs deeltje. Maar dit deeltje is nog nooit waargenomen. Maar het is onvolledig: Het Standaard model beschrijft niet de zwaartekracht. En er zit ‘estetisch’ iets scheef Het Standaard model heeft (te) veel ad hoc parameters nodig – is er een eenvoudiger diepere structuur?

De grote vragen Veel vragen blijven onbeantwoord Zijn quarks en leptonen echt elementair ? Waarom zijn er 3 families ? Zijn er meer ? Waarom leven we in een wereld van materie, en niet van antimaterie? Is het Standaard Model de ultieme theorie? Wat is verband tussen kracht deeltjes en materie deeltjes? Worden de krachten geünificeerd? Speelt snaar-theorie een rol? Fascinerende en merkwaardige theorieën: Hoeveel dimensies bestaan er werkelijk? Wat is donkere materie? Onverwachte processen?

Hoe komen we meer te weten? Botsingen in deeltjesversnellers

Verstrooiings-experimenten Verstrooiing ‘zachte’ kern Een aardbei Verstrooiing ‘harde’ kern Een aardbei met pit Dit soort verstrooings-experimenten onthullen de interne structuur Gereedschap voor het bestuderen van materie op kleinst nivo

Resolutie van een microscoop Bekogel in het donker een onbekend voorwerp. Wat is het? Gooien met grote voetballen geeft lage resolutie Gooien met kleine knikkers geeft hoge resolutie ‘Resolutie’ hangt af van energie van de botsingen Hoe hoger de energie van de botsing Hoe beter de ‘scherpte’ om het voorwerp te ‘zien’.

TV versnelt elektronen tot energie van 20000 volt = 0.00002 GeV Grote versnellers Versneller - laboratoria in de wereld: Bv CERN (Geneve) http://www.cern.ch TV versnelt elektronen tot energie van 20000 volt = 0.00002 GeV ~zichtbaar licht cyclotron grote versnellers

De ultieme versneller: Large Hadron Collider (2007-20??)

De meetopstelling Waanzinnige parameters: De versneller: Large Hadron Collider Protonen botsen op protonen 27 km omtrek De meetopstelling: ATLAS Detectie van botsings- producten 46x25x26m Waanzinnige parameters: Grootte ~ 10 keer zo ‘ingewikkeld’ als ooit tevoren Menskracht >4000 natuurkundigen Kosten > 3000 M€

Omzetting energie naar deetjes met E=mc2 LHC machine Proton-proton botsingen: Beschikbare energie: 14000 GeV Zoeken naar deeltjes met grote massa Limiet gegeven door sterkte magneten 1232 magneten met B=8.4 T, operationeel bij 1.9 K Grootste koelkast ter wereld Bundel-intensiteit enorm Zoeken naar zeer zeldzame processen Elke seconde 40 miljoen mogelijke botsingen

Fenomenologie van pp botsingen “Alsof je twee wekkers op elkaar knalt…” ‘Harde’ botsingen: Feitelijk is proton een bundel van quarks

ATLAS: het experiment ~ 150 instituten ~1800 natuurkundigen 108 Electronische kanalen ~7000 t Gewicht 22 m Diameter 44 m Lengte ~ 150 instituten ~1800 natuurkundigen

De ‘atlas’ put

Higgs deeltje: ~ 1 per dag Meting van de knallen “…om uit de brokstukken het mechaniek te achterhalen” Productie per seconde Zachte botsingen 108 W± e± 15 Z0 e+e- 1 Top-anti-top quarks 1 bb +X 103 QCD jets, pT>150 GeV 102 Higgs deeltje: ~ 1 per dag

Mijn dagelijkse werk: Selectie interessante gebeurtenissen uit ‘achtergrond’ van 1 op 1013 gebeurtenissen - Dit is equivalent met zoeken van 1 persoon op 1000 wereldpopulaties Oftewel één naald in 20 miljoen hooibergen

Creatie en verval van een klein zwart gat… Spektakel LHC als echte ‘ontdekkings’ machine Ongekend grote energieën; “Terra icognita” Mogelijke spectaculaire gebeurtenissen Creatie en verval van een klein zwart gat…

“The most important task for scientists is to search for the most fundamental laws, from which a picture of the world can be deduced.”

Higgs interakties Lege ruimte Higgs ruimte Higgs deeltje Het “stroop” argument Lege ruimte Massaloze deeltjes bewegen met de lichtsnelheid. Alle deeltjes zijn massaloos en hebben dezelfde snelheid Higgs ruimte Massaloze deeltjes wisselwerken met konstant achtergrond ‘Higgs’ veld en worden gestopt. Effectief krijgen zij een massa. Snelheid (=massa) van deeltje hang af van de sterkte van de wisselwerking Higgs deeltje Quantum mechanische fluctuatie van de achtergrond zelf: het Higgs deeltje Consequentie van Higgs achtergrondveld

Atoomkernen die uit elkaar vallen