Waar is al de antimaterie gebleven? Rob Knegjens 1

De Large Hadron Collider 2

3

Geneve 4

Wat interessante LHC feiten Wereld's grootste machine 27km omtrek 9300 (supergeleide) magneten Wereld's grootste koeling systeem Pre-koeling magneten naar -193.2 C: 10.000 tonne vloeibare stickstof Koeling naar -271.3 C: 120 tonne vloeibare helium Heetste plek in ons sterrenstelsel Collisie interactie punten 100.000 keer heter dan de kern van de zon 600 million collisies per seconde

Waar is al de antimaterie gebleven? 6

Wat is antimaterie?

De bouwstenen van Materie Wat kun je maken? P Proton n Neutron Neutron Elektron periodiek systeem van Mendeleev Alles! 8

De bouwstenen van Materie Wat kun je maken? P Proton n Neutron Neutron Elektron periodiek systeem van Mendeleev Ook de Munsterkerk Alles! 9

De Elementaire deeltjes Proton (+1) Neutron (0) Elektron (-1)

De Elementaire deeltjes Up (+2/3) Down (-1/3) Quarks up down down up Proton (+1) Neutron (0) Elektron (-1)

De Elementaire deeltjes Up (+2/3) Down (-1/3) Quarks up down down up Proton (+1) Neutron (0) Elektron (-1) Radioactieve beta-verval: + + ? elektron (-1) proton (+1) Neutron

De Elementaire deeltjes Up (+2/3) Down (-1/3) Quarks up down down up Proton (+1) Neutron (0) Neutrino (0) Elektron (-1) Radioactieve beta-verval: + + ? elektron (-1) proton (+1) Neutron

Antimaterie Anti-materie deeltje: Zelfde massa Revoluties begin vorige eeuw: Relativiteitstheorie Quantum Mechanica Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie! Voor elk materiedeeltje bestaat een antimateriedeeltje ! Anti-materie deeltje: Zelfde massa Tegenovergestelde lading We gaan terug naar elem deeltjes. De briljante theoretische natuurkundige Paul Dirac heeft in het begin van de vorige eeuw de relativiteits theorie van Einstein (het allersnelste) en de quantum mechanica (het allerkleinste) gecombineed in een theorie. Het bijzondere was dat hij daarbij voorspelde dat er voor alk materie deeltje ook een anti materie deeltje zou moeten bestaan. Anti-materie deeltje: zelfde eigenschappen, tegenovergestelde lading 14

(iγμ∂μ-m)ψ=0 Antimaterie Revoluties begin vorige eeuw: Relativiteitstheorie Quantum Mechanica Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie! (iγμ∂μ-m)ψ=0 We gaan terug naar elem deeltjes. De briljante theoretische natuurkundige Paul Dirac heeft in het begin van de vorige eeuw de relativiteits theorie van Einstein (het allersnelste) en de quantum mechanica (het allerkleinste) gecombineed in een theorie. Het bijzondere was dat hij daarbij voorspelde dat er voor alk materie deeltje ook een anti materie deeltje zou moeten bestaan. Anti-materie deeltje: zelfde eigenschappen, tegenovergestelde lading 15

De anti-deeltjes Anti-Proton (-1) Positron (+1) anti-Quarks Carl Anderson in 1932 (Nobelprijs 1936) anti-up anti-down Anti-Proton (-1) Emilio Segrè and Owen Chamberlain in 1955 (Nobelprijs 1959) anti-Up (-2/3) anti-Down (+1/3) anti-Quarks

? Instabiele deeltjes Pion Kaon Mesonen: Up anti- Down Up ? Pion Kaon En nog veel meer intsabiele deeltjes: Ω, ω, f, ρ, η, Σ, Λ, μ, ... 17

u d e e c s   t b   Materie De elementaire deeltjes I II III Niet één serie, maar drie! (1956) u d I e e (1895) c s II   (1936) (1963) (1947) (1976) t b III   (1973) (2000) (1978) (1995) Lading +2/3 e -1/3 e -1 e 0 e quarks leptonen Materie 18

u d e e c s   t b   u c t d s b e   e   Materie De elementaire deeltjes (1956) u d I e e (1895) c s II   (1936) (1963) (1947) (1976) t b III   (1973) (2000) (1978) (1995) Lading +2/3 e -1/3 e -1 e 0 e Lading I II III u quarks -2/3 e c t +1/3 e d s b leptonen +1 e e   (1932) e   0 e Materie Anti-materie 19

e+ e- e+ e- Hoe maak je anti-materie?? Albert Einstein: E=mc2 Pion materie + antimaterie = licht ! u (en vice versa) _ u e+ e- 20

e+e   Anti-materie in ziekenhuizen: de PET-scan Het omzetten van materie en antimaterie in energie wordt daadwerkelijk toegepast in ziekenhuizen in de PET (positron emission tomografie) scan opname. Patient krijgt een positron emitter (zelfde idee als radiactiviteitsdiagram) ingespoten. Tumorcellen nemen de stof op. De positronen komen in contact met electronen in de patient en lichtstralen worden uitgezonden. Hierdoor kunnen duidelijke beelden van tumoren gemaakt worden. The body of a person weighing 80 kg emits 180 positrons per hour! This comes from the decay of potassium-40, a naturally occurring isotope that is ingested by drinking water, eating food and breathing. e+e   21

Citaten Fact en Fictie… niet waar Is een antimaterie bomb mogelijk? Totaal productie van CERN: 10 nano gram 4 uur: Citaten ‘Door deeltjes te laten botsen, kunnen we de bouwstenen van het heelal leren kennen.’ ‘Het is de energiebron van de toekomst. Duizendmaal zo krachtig als kernenergie.’ niet waar The total amount of antimatter produced in CERN’s history is less than 10 nanograms - containing only enough energy to power a 60 W light bulb for 4 hours. The cost of antimatter The efficiency of antimatter production and storage is very low. About 1 billion times more energy is required to make antimatter than is finally contained in its mass. Using E = mc2, we find that 1 gram of antimatter contains: 0.001 kg x (300,000,000 m/s)2 = 90,000 GJ = 25 million kWh Taking into account the low production efficiency, it would need 25 million billion kWh to make one single gram! Even at a discount price for electric power, this would cost more than a million billion Euros! 22

Waar is de antimaterie gebleven?

Anti-materie?? (waar is het gebleven) 24

Geen anti-materie sterrenstelsels Geen anti-materie met satellieten 25

Asymmetrie in interacties van materie en antimaterie Heeft de natuur een voorkeur? Andrei Sakharov (1921-1989) “Sakharov Voorwaarden” Asymmetrie in interacties van materie en antimaterie Heelal +1 Oerknal tijd

Zien wij zo'n asymmetrie? Elektromagnetische Kracht Nee Sterke Kracht Nee Zwakke Kracht Schending heeft verrandering nodig: verranderign komt door interactie: krachten Ja! Zwaartekracht Nee

≠ u c t d s b u b u b Materie Anti-materie De Zwakke Kracht Quarks kunnen van type veranderen I II III quarks u c t d s b Asymmetrie: _ _ ≠ u b u b Materie Anti-materie

≠ π π π π d d s s Materie Anti-materie Meson verval In de praktijk: hoe vervallen Mesonen: Asymmetrie: _ d d ≠ π π π π _ s s Kaon anti-Kaon Materie Anti-materie Asymmetrie in Kaon systeem: James Cronin and Val Fitch in 1964 (Nobelprijs 1980)

Met huidige asymmetrie: netto een sterrenstelsel van Materie Maar wij zien nog heel weinig asymmetrie... Met huidige asymmetrie: netto een sterrenstelsel van Materie De Realiteit in zichtbare heelal: Materie sterrenstelsels: 170 miljard Anti-materie sterrenstelsels: 0 ?

s b Albert Einstein: E=mc2 _ Gebruik zwaardere Mesonen! Zoektocht naar meer asymmetrie b s _ Gebruik zwaardere Mesonen! B Mesonen Nodig: deeltjesversneller met hoge energie! Albert Einstein: E=mc2 anti-B meson B meson CP schending die we tot nu toe zien neit genoeg om uit te leggen waarom al de anti-materie weg is. Wij blijven door gaan met zoeken. Naar hogere energien, zwaardere quarks studeren I.e B quark mesonen! Moet dezen zien te maken, hoe? Proton Proton

Op zoek naar materie- antimaterie asymmetrie: Detectoren 32

LHCb ATLAS CMS ALICE 33

b s _ LHCb Detector

Pion/Kaon onderschijden Muon detector Magneet energie elektronen en fotonen energie quark-deeltjes positie en impuls geladen deeltjes

Event in de LHCb detector 37

LHCb ATLAS CMS ALICE 38

het grootste fototoestel op aarde muon detector positie en impuls geladen deeltjes magneet magneet mens energie elektronen en fotonen energie quark-deeltjes 39

Theorie Data LHCb experiment Voorspellingen

Einde 41

Neutrinos sneller dan licht? Afstand: 732 km, Tijd: 0.0024 s 0.00000006 seconde sneller dan licht

Het Standaardmodel

Het Higgs veld

Het Higgs veld F = m a

Waar bestaat het heelal uit? 0% ANTI MATTER Slechts 4% is normale materie… 47

Donkere materie Rotatie-snelheid sterren Rotatie-curves 48

Donkere materie Botsende melkwegstelsels Gravitationele lens Normale materie is “afgeremd”: te zien met X-rays Donkere materie is “doorgeschoten”: te zien met gravit. lens 49

Verschil materie, anti-materie: Nobelprijs 2008 “Box” diagram: ΔB=2 Nobelprijs voor Kobayashi & Maskawa KM voorspelden in 1972 de 3de generatie quarks om kleine verschillen in materie en anti-materie te verklaren b s μ “Penguin” diagram: ΔB=1 Toshihide Maskawa Makoto Kobayashi 50

Pech: 19 september Test magneten op volle kracht Kortsluiting tussen 2 magneten Groot helium lek. Meerdere magneten zijn gerepareerd Sector 34 51

Energie 1 proton (LHC) Energie LHC bundel Bundel 2 Bundel 1 3000 x 100.000.000.000 protonen Bundel 2 Bundel 1 Doorsnede LHC bundelpijp