Subatomaire Fysica Inleiding Stan Bentvelsen NIKHEF (Kruislaan 409 Amsterdam) Stanb@nikhef.nl, tel: 020-592 5140, kamer H241 Betrokken bij Atlas experiment, CERN

Elementary Particle Physics Literatuur: “Introduction to Elementary Particles”, D. Griffiths “Quarks & Leptons”, F. Halzen & A. Martin “The Experimental Foundations of Particle Physics”, R. Cahn & G. Goldhaber “Gauge Theories in Particle Physics”, I.J.R. Aitchison & A.J.G. Hey “Introduction to High Energy Phyics”, D.H. Perkins “Review of Particle Properties” http://pdg.lbl.gov (Eur. Phys. J. C15) Historische achtergrond “Inward Bound”, A. Pais

Elementaire deeltjes en krachten

Begin: ontdekking van het electron JJ Thompson: Begin ‘elementaire deeltjes fysica’ Afbuiging cathode stralen in magnetisch veld (i.e. negatief geladen deeltjes) E V=Ec/B E=0 Kies E en B z.d.d. netto afbuiging nul is: Zet nu B=0 en bepaal afbuiging na lengte l: Gemeten m/e kleiner (~770) dan die van waterstof atoom Bepaling e via cloud-chamber techniek Thompson (1899): electron massa m=3•10-26 g De massa van het electron is zeer klein in vergelijkuing met die van het atoom. Het atoom is electrisch neutraal ‘Plump-pudding’ model voor het atoom Electronen zitten als krenten in de pap

Joseph Thomson (1856-1940) Nobel Prize 1906 In recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases

Rutherford scattering Verwacht op basis van Thompson model voor goudatomen dat alle –deeltjes verstrooiien onder een kleine hoek   Vgl schieten van een kogel op een zak zand Observatie – meeste –deeltjes gaan rechtuit - onverwacht botsen onder grote hoek Interpretatie Het atoom is vrijwel leeg. In het centrum zit een harde kern met alle +-lading, Rkern<10-12 cm

Cross section calculation opstelling: dichtheid alpha deeltjes ; snelheid alpha deeltjes v flux: v [#/cm2/s] # over hoek  verstrooide alpha deeltjes:  2bb

Earnest Rutherford (1871-1937) Nobel Prize 1908 (Chemistry!) For his investigations into the disentegration of the elements and the chemistry of radioactive substances

Waterstof atoom van Bohr P+ e- Bohr model voor watersof (1914) 1 proton met 1 electron Electron in aantal stabiele circelbanen Bij overgang uitzending straling Succesvolle beschrijving Balmer spectra Probleem: Massa Helium is 4X massa waterstof Terwijl alle massa in kern van atoom bevind (Foute) beschrijving isotoop met massa nummer A en nucleaire lading Z: Ap+(A-Z)e The nucleus must be considered a very complex structure consisting of positive particles and electrons but it is premature to discuss the possible structure of the nucleus itself (Rutherford 1914)

Niels Bohr (1885-1962) Nobel prize 1922 for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them"  

Ontdekking van het neutron Chadwick opbserveerde hoe neutrale straling uit een trefplaatje in praffine protonen kan losmaken protonen paraffine Be -straling Dilemma opgelost door de ontdekking van het neutron “…a proton embedded in an electron” Chadwick (1932) P+ e- 2 p+ 2 n e- Klassiek tijdperk: Materie: e-, p+, n Licht:  H He

James Chadwick 1891 - 1974 Nobel Prize 1935 for the discovery of the neutron

Het foton (1900-1924) 1900: Max Planck beschrijft de blackbody straling Een zwart lichaam: -Absorbeert alle straling die erop valt -Is in thermisch evenwicht: zend geabsoorbeerde energie weer uit -Spectrum van de ‘blackbody’ straling: Klassiek Planck Interpretatie: straling wordt uitgezonden in fundamentele quana met energy E=h Planck wist niet waarom straling in gequantiseerde hoeveelheden plaatsvond.

Max Planck (1858-1947) Nobel prize 1918 in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta    

Het photo-electrisch effect Electromagnetische straling valt op een metalen plaat, waardoor er electronen vrijkomen Einsteins verklaring: 1 Inkomende fotonen (met E=h) botsen met een atoom en dragen energie over aan het electron 2 Het electron verliest een hoeveelheid energie W om vrij te komen en komt tevoorschijn met E=h -W Planck: Quantisatie is het gevolg van een emissieproces Einstein: Quantisatie is intrinsiek aan de electro-magnetische straling licht wordt niet alleen in quanta uitgezonden, het bestaat uit quanta 1916: Millikan’s experimenten stemmen overeen met Einsteins theorie, die desalniettemin nog niet geaccepteerd wordt ‘Einstein’s photo electric equation … appears in every case to predict exactly the observed results…. Yet the semi-corpuscular theory by which Einstein arrived at this equation seems at present wholly untenable’

Albert Einstein (1879-1955) Nobel prize 1921 for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

Robert Andres Millikan (1868-1953) Nobel price 1923 For his work on the elementary charge of electricity and on the photo-electric effect

Het photo-electrisch effect Compton observeerde dat licht, verstrooid door een trefplaatje, verschuift in golflengte volgens Dit is precies de verwachting voor een lichtdeeltje met m=0 en E= h In de quantum-velden theorie is een interactie (of kracht) het gevolg van uitwisseling van veld-quanta

Arthur Holly Compton (1892-1962) Charles Thomson Rees Wilson (1969-1959) Nobel prize 1927 "for his discovery of the effect named after him" "for his method of making the paths of electrically charged particles visible by condensation of vapour"

Mesonen (1934-1947) 1934: Yukawa potentiaal: sterke kernkracht Wat houdt de kernen bijeen? De protonen en neutronen wisselwerken via de sterke kernkracht. Deze is sterker dan de electro-magnitische afstoting. Waarom voelen we de sterke kernkracht niet om ons heen? De sterke kernkracht heeft een korte dracht. Yukawa veronderstelde dat de sterke wisselwerking werd overgebracht door een veldquantum met massa m. M ~ 140 MeV/c2 = 200 me = 1/6 mp -meson (meson: middelgewicht) (hadron: zwaargewicht) (lepton : lichtgewicht)

Werner Heisenberg (1901 – 1976) Nobel Prize 1932 for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen

Hideki Yukawa 1907 - 1981 Nobel Price 1949 For his prediction of the existence of mesons on the basis of theoretical work on nuclear forces

Pionen en muonen 1937: Anderson bestudeerde cosmische straling Elke seconde gaat er een cosmisch deeltje met massa ongeveer gelijk aan Yukawa’s meson door ons heen. -Levensduur te lang (faktor ~1000) -Massa iets te laag 1946: Anderson’s deeltje heeft maar een zwakke wisselwerking met atoomkernen. Voor Yukawa’s mesonen is een sterke interactie verwacht 1947: Powell gebruikte photo-emulsies om op een bergtop cosmische straling te observeren en ontdekte dat er twee deeltjes aanwezig waren Het -meson, m=140 MeV/c2; korte levensduur. Wordt geproduceerd in hogere luchtlagen en vervalt voordat het de aardoppervlakte bereikt. Het muon (), m=105 MeV/c2; Bereikt zee-niveau en heeft een zwakke wisselwerking met materie Het -meson werd theoretisch ‘voorspelt’; het  kwam totaal ‘onverwacht’. Rabi (1947) over het muon: ‘Who ordered that?’

Het pion () en het muon () -decay -decay

Anti-materie 1927: Begin relativistische quantum-mechanica Dirac vergelijking met twee energie oplossingen Interpretatie probleem: wat stelt negatieve energie voor? In alle systemen zouden electronen blijven vervallen naar lagere energie. E=0 - Dirac interpretatie: Er is een ‘zee’ van electronen, die alle energie-nivo’s bezetten (cf Pauli princiepe). Als een electron positieve energie krijgt ontstaat een ‘gat’ in de zee. Dit gat kan geinterpreteerd worden als een electron met positieve lading en positieve energie (positron). 1931 Anderson observeert het positron

Werner Schrodinger (1887 – 1961) Paul Dirac (1902 – 1984) Nobel Prize 1933 for the discovery of new productive forms of atomic theory

Anderson (1905 – 1991) B positron Nobel Prize 1936 For his discovery of the positron Lood-plaat B positron

Anti-materie 1940-1950: Feynman Stuckelberg interpretatie Negatieve energie-oplossingen zijn positieven energie-oplossingen van andere deeltjes Geen -zee van electronen, maar elk soort deeltje betstaat een anti-deeltje: Berkeley Bevatron: anti-proton (1955) anti-neutron (1956) Princiepe van crossing-symmetrie: Als de reactie A+BC+B mogelijk is, dan ge-kruisde reacties ook. Mits energie balans dit toelaat.

Sin-Itiro Tomonaga (1906 – 1979) Julian Schwinger (1918 – 1994) Richard Feynman (1918 – 1988) Nobel prize 1965 for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles"   Mathematische consistente theorie voor electro-magnetische kracht: Quantum-Electro-Dynamica (QED)

Neutrino’s 1930: studie van nucleair beta-verval: AB+e- de energie van het electron is dan (toon aan!)  Ee  # events mn-mp-me  17 keV Niet deze maar deze Er blijkt dat het vrijkomende electron een variabele energie heeft. Schending van energie-behoud? Pauli: introductie van het neutrino

Wolfgang Pauli (1900 – 1958) Nobel prize 1945 For the discovery of the Exclusion Principle, also called the Pauli Principle

Neutrino’s 1933: Fermi’s theorie van beta verval n e p  Uit het eind-punt van het electron spectrum kan de massa van het energie worden bepaald, en m~0 Powells verval: De energie van het electron van het muon-verval heeft ook een contrinu spectrum. Er worden dus twee neutrinos geproduceerd tijdens dit verval

Enrico Fermi (1901 – 1954) Nobel Price 1938 for his demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons

Neutrino’s 1950: neutrino’s: ‘Bookkeeping device or real?’ Neutrinos ondergaan alleen de zwakke wisselweking. Neutrino wordt pas gestopt door een loden plaat met dikte van 1000 lichtjaar! experiment om bestaan neutrinos aan te tonen: Cowan & Reines e+e annihilation n-capture e n e+  1998: Hebben neutrino’s massa? Neutrino’ oscillaties gemeten bij Super-kamiokande, situatie niet geheel duidelijk (zie later)

Martin Perl (1927) Frederick Reines (1918 – 1998) Nobel Prize 1995 for pioneering experimental contributions to lepton physics" for the discovery of the tau lepton for the detection of the neutrino

Leptongetal 1962: Het wordt duidelijk dat een reactie moet voldoen aan behoud van leptongetal: De anti-deeltjes hebben tegenovergestelde lepton-getal ‘Doublet’ structuur: Electron met electron-neutrino Muon met muon-neutrino Belangrijk in zwakke wisselwerking Lederman, Schwarts, Steinberger

Leon M. Lederman (1922) Melvin Schwartz (1932) Jack Steinberger (1921) Nobel Prize 1988 for the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino"

Vreemde deeltjes Situatie rond 1947: e+, e-, p, n, , ,  en  Dec 1947: Rochester en Butler observeerden ‘V0’ gebeurtenis waarin twee pionen werden geproduceerd. Massa van 0 deeltje: 498 MeV/c2 1949: Powell observeerde deeltje dat vervalt in drie pionen. De massa van dit + deeltje was gelijk aan die van 0 1955: Lee en Yang: Beide deeltjes zijn identiek: het Kaon. Kaonen zijn mesonen. In de volgende jaren zijn er veel mesonen gevonden: , K, , , , , …

Strangeness 1950: Anderson et al observeerde een nieuw baryon: K,  heten vreemd omdat: -ze worden veelvuldig geproduceerd, tijdschaal ~ 10-23 s -ze vervallen heel traag, tijdschaal 10-10 s (zichtbare vervalsvertex) -ze worden altijd in paren geproduceerd, bv +pK+ Verklaring (Pais, Gell-mann, Nishijima): -De vreemde deeltjes bezitten quantumgetal ‘vreemdheid’ (oftewel een s-quark) -Vreemdheid is behouden in de sterke wisselwerking -Vreemdheid is geschonden in de zwakke wisselwerking -Vreemde deeltjes worden met de sterke wisselwerking geproduceerd en vervallen zwak

De - was nog niet ontdekt. Door Gell-Mann voorspeld De ‘Eightfold Way’ ~1960: Het aantal gevonden ‘elementaire’ deeltjes nam explosief toe Baryon decuplet 1961: Gell-Mann: Onderverdeling van baryonen en mesonen in geometrische multipletten, ‘periodieke tabel van elementaire deeltjes’ Baryon octet Meson octet De - was nog niet ontdekt. Door Gell-Mann voorspeld

1964: De ontdekking van het -

Murray Gell-Mann (1929) Nobel prize 1969 For his fundamental contributions to our knowledge of mesons and baryons and their interactions. Also for having developed new algebraic methods which have led to a far-reaching classification of these particles according to their symmetry properties. The methods introduced by you are among the most powerful tools for further research in particle physics.

James Joyce, Finnegan’s wake “Three quarks for Muster Mark.” Het Quark model 1964: Gell-Mann en Zweig postuleerde onafhankelijk dat ‘elementaire’ hadronen en mesonen uit quarks bestaan. S=0 S=-1 d u s Q=-1/3 Q=2/3 Basis triplet van de quarks up, down en strange Baryon: 3 quarks Meson: quark-anti-quark

Partonen Lange tijd werden quarks gezien als ‘mathematische entiteiten’. Vanaf ~1970 werd het bestaan van quarks ook experimenteel aangetoond Proton-proton botsingen vergelijkbaar met Rutherford verstrooiing

Jerome Friedman (1930) Henry Kendall (1926 – 1999) Richard Taylor (1929) Nobel Prize 1990 for their pioneering investigations concerning deep inelastic scattering of electrons on protons and bound neutrons, which have been of essential importance for the development of the quark model in particle physics e’ e p

November revolution (1974) Een nieuw quark (charm) wordt gevonden, tegelijkertijd in SLAC en Brookhaven Brookhaven: excess events @ Mee  3.1 GeV p+Be  ee SLAC: excess events @ s  3.1 GeV ee  hadrons sorry (nog) niet gevonden! interpretation: new quark: ee  cc  hadrons interpretation: new bound state: cc  ee

Burton Richter (1931) Samuel Ting (1936) Nobel Prize 1976 for their pioneering work in the discovery of a heavy elementary particle of a new kind

Nieuwe quarks en leptonen 1975: Een nog zwaarder lepton wordt gevonden: het Tau-lepton. Bij Mark-1 e+e- SPEAR ring (Perl). Massa ~ 1784 MeV 1977: Nog een nieuw quark wordt gevonden, het ‘b’ (beauty of bottom), op FermiLab door Lederman. Massa ~ 4.5 GeV 1994: Het top quark wordt ontdekt bij de Tevatron (Fermilab). Massa ~ 175 GeV 2000: Het tau-neutrino wordt gevonden op FermiLab (Donut), Massa ~ 0

Standaard model: fermionen De volgende fermionen spelen een rol in het standaard model Q=2/3 Q=-1/3 Q=0 Q=-1 Quarks: Leptonen: Organisatie in 3 ‘families’. Reden hiervoor onduidelijk! Ook massas van de fermionen kunnen niet verklaard worden

Fundamentele interacties 1969 Het ‘standaard model’ voor de electro-magnetische interacties opgesteld (Weinberg, Glashow, Salam). Gebaseerd op de U(1)xSU(2) ijkgroepen. 1970: Dit model wordt mathematisch consistend beschreven door Veltman en G. ‘t Hooft. Het Standaard Model voorspelde het bestaan van de Z en W deeltjes. In ~1973 is ook de sterke kracht succesvol beschreven door een ijkgroep SU(3).

Sheldon Lee Glashow (1932) Abdus Salam (1926 – 1996) Steven Weinberg (1933) Nobel Prize 1979 for their contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction between elementary particles, including, inter alia, the prediction of the weak neutral current

Gerardus 't Hooft (1946) Martinus Veltman (1931) Nobel Prize 1999 for elucidating the quantum structure of electroweak interactions in physics

De W en Z bosonen: SppS collider 1970: Op CERN worden de neutrale stroom waargenomen 1982: Op CERN worden de Z en W deeltjes waargenomen

Carlo Rubbia (1934) Simon van der Meer (1925) Nobel Prize 1984 or their decisive contributions to the large project, which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction

The t-quark: Tevatron collider

outstanding issues (only a selection!): Why 3 families? Neutrino masses? Why matter/anti-matter balanced distorted? How to incorporate mass? Higgs? Dark matter in universe? Further unification of interactions? Gravity?