• • • • • • • • • • Welkom • • • • • • • • • • • 10:15 - 11:00 Deeltjes fysica 11:15 – 12:00 NIKHEF tour 12:15 – 13:00 Levensduurmeting • • • • • • • • • • • • Lunch • • • • • • • • • • • 14:00 – 14:45 Water detectoren 15:00 – 15:45 Discussie • • • • • • • • • • Afsluiting • • • • • • • • • • F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

Energie huishouding v/d zon Energie flux: op aarde:  1400 W/m2 Dus zon straalt uit: 4L21400  41026 W Stel: zwaartekracht Ezon  GM2zon/Rzon  41040 Ws Stel: benzine bom: C5H12+7O25CO2+6H2O Ezon  Mzon108 Ws Stel: zwaartekracht Ezon  GM2zon/Rzon  41040 Ws 41040/41026  30.000.000 jaar Stel: benzine bom: C5H12+7O25CO2+6H2O Ezon  Mzon108 Ws 21038/41026  15.000 jaar R=700.000 km L=150.000.000 km M=21030 kg Hoe komt die zon aan zijn energie? R=7.000 km

Inleiding deeltjes fysica Deeltjes & krachten Experimentele deeltjes fysica De “highlights”: historisch perspectief De “hot issues”: toekomst perspectief F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

De elementaire deeltjes Hoe zit het in elkaar? De elementaire deeltjes F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

e p n elektron proton neutron qelektron = 1 d qproton = 1 = 2x(2/3)  1x(1/3) proton n qneutron = 0 = 1x(2/3)  2x(1/3) neutron me = 0.9210-30 kg mp = 1.710-27 kg mn = 1.710-27 kg

Periodiek systeem: atomen D.I. Mendelejev (1834-1907) Periodiek systeem: atomen N. Bohr (1885-1962) E. Rutherford (1871-1937) http://chemistry.about.com/gi/dynamic/offsite.htm?site=http%3A%2F%2Fwww.colorado.edu%2Fphysics%2F2000%2Fapplets%2Fa2.html

Elementair, energie & massa Wanneer heet een deeltje elementair? Antwoord: tot het moment waarop het aantoonbare sub-struktuur heeft d.w.z. bestaat uit iets anders! Energie: Kinetische energie auto: 1000 kg en v=180 km/uur? Verbrandings energie 1 liter benzine? Energie winst elektron na 1 Volt spannings verschil? Massa: Einstein heeft relatie gevonden tussen massa & energie: E=mc2 Welke energie correpondeert met een 0.9210-30 kg zwaar elektron? A. Einstein (1879-1955) Antwoord: ½mv2 = 1.25106 J = 1.25 MJ Antwoord:  108 J = 100 MJ ( 80 van 0180 km/uur) Antwoord: 1 eV = 1.61019 J Antwoord: 0.9210-30kg  (3108m/s)2 eV  0.511106 eV = 0.511 MeV 1.61019 J

Familie portret elementaire deeltjes (1 MeV 1.810-30 kg) m [MeV] 0 0.511 3 6 106 1250 120 1777 174300 4200 u d e e c s   t b   I II III Rood Geel Blauw

e+ ontdekking (1932) 1930: P.A.M. Dirac voorspelt anti-materie 1932: C.D. Anderson ontdekt e+ loden plaat bellenvat P.A.M. Dirac (1902-1982) C.D. Anderson (1905-1991) Waarom is dit een e+ spoor?

Familie portret elementaire anti-deeltjes Recept: lading q  q kleur  anti-kleur rest (massa, spin, …) blijft onveranderd c s   t b   I II III u d e e

De fundamentele krachten Hoe werkt het? De fundamentele krachten Gravitation F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

 Quantum mechanisch m=0 MeV kracht deeltje: foton W. Heisenberg (1901-1976) E. Schrödinger (1898-1961) http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/schroedinger.html  m=0 MeV kracht deeltje: foton

kracht deeltjes: gluonen Sterke kernkracht stabiliteit? nieuwe kracht:  sterke kernkracht g mg=0 MeV kracht deeltjes: gluonen

sommige kernen zijn wel instabiel! Zwakke kernkracht sommige kernen zijn wel instabiel! http://www.colorado.edu/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html nieuwe kracht:  zwakke kernkracht kracht deeltjes: W, Z0 W, Z0 mW  80 GeV mZ  91 GeV

Krachten

Experimentele deeltjes fysica Hoe detecteer je deeltjes? Hoe maak je elementaire deeltjes? Wat meten we? F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

Hoe detecteer je deeltjes? Ionisatie proces Energie meting Spoor meting F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

Energie verlies geladen deeltjes  e  Gevolgen: 1. geladen deeltje verliest energie 2. detector materie geëxciteerd kernen elektronen © Els Koffeman

Voorbeelden detectie materialen  ionisatie gas gevulde detectoren (b.v. Ar-CO2)  electron-gat paren half geleider detectoren (b.v. Si, Ga, Ge en diamant)  excitatie scintillatie & fluorescentie (b.v. plastics, kristallen)

Impuls meting signaal Principe: afbuiging spoor in B-veld tijd signaal 0 ns 500 ns Principe: afbuiging spoor in B-veld reconstrueer spoor fit kromtestraal  impuls P P/P2% 10 cm 5 meter

Hoe maak je elementaire deeltjes? In: de cosmos kern reakties botsingsmachines F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

I. Gratis: vanuit de ruimte

II. Kern reacties:  op aarde: kernsplitsing  in de zon: kernfusie http://library.thinkquest.org/17940/texts/fission/fission.html

III. Botsingsmachines

Verval van deeltjes (levensduur) Verstrooiing van deeltjes Wat meten we? Verval van deeltjes (levensduur) Verstrooiing van deeltjes F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

<t>   tN0etdt = 1/   Verval (muon) Situatie: op tijdstip t=0: N(t=0)N0 deeltjes # dat vervalt tussen t en t+t  N(t) N(t=0) = N0 N(t)  N(t)t Opgaven: Vind N(t) Bereken de levensduur  N(t) = N0et <t>   tN0etdt = 1/  

Neutrino’s: spook deeltjes R.P. Feynman (1918-1988) -verval W   e e Feynman diagram   e -verval

-verval: de meting m/2 53 MeV Elektron energie Muon levensduur

Verstrooiing (4He+Au 4He+Au)  4He Au

Het kernfusie proces Neutrino’s Metingen v/d neutrino flux! Hoe werkt de zon? Het kernfusie proces Neutrino’s Metingen v/d neutrino flux! F. Linde: MasterClass Natuurkunde April 2002

Zo werkt de zon dus niet! ?Zon is ongeveer 4.500.000.000 jaar oud! Energie flux: op aarde:  1400 W/m2 Dus zon straalt uit: 4L21400  41026 W Stel: benzine bom: C5H12+7O25CO2+6H2O Ezon  Mzon108 Ws 21038/41026  15.000 jaar R=700.000 km Stel: zwaartekracht Ezon  GM2zon/Rzon  41040 Ws 41040/41026  30.000.000 jaar L=150.000.000 km M=21030 kg ?Zon is ongeveer 4.500.000.000 jaar oud! R=7.000 km

 1% efficiëntie; 10 miljard jaar! Einstein: E=mc2 Stel, massa  energie: Ezon  Mzonc2  21047 Ws 21047/41026 > 1000.000.000.000 jaar aan uit  1% efficiëntie; 10 miljard jaar! M  0.029mp  0.028 MeV Realiteit: kernfusie H M=4mH4.032 p n M=mHe4.003

1H + 1H  2H + ee+ 1H + 2H  3He +  1H + 1H  2H + ee+ 1400 W/m2  91017 eV/s/cm2 H n p e e 1H + 1H  2H + ee+ p H n foton 1H + 2H  3He +  p n H 3He + 3He  4He + 21H d H u e e foton 1H + 1H  2H + ee+ http://www.astronomynotes.com/starsun/s3.htm

Neutrino’s van de zon  106 jaar e 8 min

Aantal neutrino interacties # e/dag: (65109)  (360024)  (20002)  71022 e/dag e /s/cm2 sec/dag cm2 40 m # e/cm2 die e’s “zien”: (4/0.018)  (61023)  18  2.41027 e/cm2 Mol H2O Avogadro e/H2O Natuurkunde: kans op ee  ee interactie! (2.41027)  (71022)  1043  200 interacties/dag e/cm2 e/dag kans cm2 Efficiëntie v/d detektor: varieert tussen de 0.01% en de 100%

Homestake e + 37Cl  e + 37Ar + p n e e Methode: tank: 615 ton schoonmaak middel typisch 1 37Cl  37Ar per dag 37Ar isoleer je chemisch tel radio-actieve 37Ar vervallen

Super-Kamiokande e + e  e + e e e + rate (zon,e)  e

Sudbury Neutrino Observatory

Er komen neutrino’s v/d zon! Het goede nieuws: Er komen neutrino’s v/d zon! Het slechte nieuws: Er zijn er te weinig! Verklaring (2001!): Onderweg veranderen elektron neutrino’s van identiteit d.w.z. bijvoorbeeld e !