Alexander Sevrin Vrije Universiteit Brussel en

Van quarks tot kosmos Een wandeling doorheen de hedendaagse elementaire deeltjesfysica
Alexander Sevrin Vrije Universiteit Brussel en The International Solvay Institutes for Physics and Chemistry 17/03/ | pag. 1

Disclaimer Elementaire deeltjesfysica is een groot deelgebied van de fysica. Om een idee te krijgen: van de 62 na-oorlogse Nobel prijzen fysica gingen er 26 naar dit gebied! Gezien de beperkte tijd zal ik onvermijdelijk onvolledig zijn! Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 2

Disclaimer Niet-technische referenties:
Een schitterend boek geschreven door één van de grootmeesters van ons vak: De bouwstenen van de schepping door Gerard ‘t Hooft. De “outreach” pagina’s van het CERN: . The Elegant Universe: de film! (vindt het met Google). De ontrafeling van de kosmos door Brian Greene. Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 3

Inhoud Elementaire deeltjesfysica in vogelvlucht…
Wat is elementaire deeltjesfysica? Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie? Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar? Kunnen we dit begrijpen? Wat begrijpen we (nog) niet? En waar is de zwaartekracht? Algemene relativiteit Zwarte gaten Kosmologie Een vooruitblik… Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 4

Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie?
Wat is deeltjesfysica? Wat zijn de kleinste bouwstenen van de materie? Hoe interageren deze bouwstenen met elkaar? Kunnen we dit begrijpen? Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 6

Wat is deeltjesfysica? Wat zijn de kleinste deeltjes waaruit alles om ons heen opgebouwd is? Empedocles (~ 450 BC) & Aristoteles (~ 350 BC): Het huidige beeld is amper ingewikkelder: Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 7

Waaruit bestaat materie?
Materie is opgebouwd uit moleculen Moleculen zijn opgebouwd uit atomen Atomen hebben een (positief geladen) kern en een aantal negatief geladen elektronen die om de kern cirkelen. Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 9

Voor zover we weten heeft het elektron geen verdere substructuur. Dit wilt zeggen dat het elektron zich tot op de kleinste waarneembare afstanden (~ m) het elektron als een wiskundig punt gedraagt! Het elektron is dus een elementair deeltje! 1 8 Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 10

De kern bestaat uit protonen (lading +1) en neutronen (charge 0). Neutronen en protonen zijn opgebouwd uit drie quarks. Het proton: Het neutron: Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 11

Zover we weten hebben quarks geen verdere substructuur!!! Dit betekent dat we tot op kleinste observeerbare afstanden – tegenwoordig is dit ~ m – we quarks als mathematische punten waarnemen! Dus zijn quarks eveneens elementaire deeltjes! Quarks hebben “merkwaardige” elektrische ladingen: - up quark: + 2/3 - down quark: -1/3 Quarks komen nooit vrij voor, ze zijn steeds gebonden in hadronen (confinement): Mesonen: Baryonen: 1 8 Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 12

B.v. een helium atoom Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 13

Naast elektronen en quarks zijn er ook neutrino’s (b.v. een vrij neutron vervalt na ongeveer 12 minuten in een proton, elektron en een (anti-)neutrino): ze hebben geen elektrische lading, bijna geen massa en ze interageren op bijzonder zwakke wijze met de rest van de natuur… Merk op dat het resulterende beeld buitengewoon eenvoudig is: de wereld om ons heen is opgebouwd uit slechts 4 elementaire deeltjes: het elektron, de up quark, de down quark en het neutrino… Is dit alles? Eén elektron, één neutrino en twee quarks? NEE!!! Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 14

De natuur herhaalt dit patroon drie maal! Er zijn drie families of generaties van elementaire deeltjes. Waarom dit zo is, is een fascinerende onbeantwoorde vraag! Massa hiërarchie??? Massa’s: 2,5 1200 178000 6 105 4400 < 10-6 < 0,2 < 18 0,51 106 1777 Massa’s zijn in eenheden MeV/c2. De massa van het waterstof atoom is ongeveer 1000 in deze eenheden. Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 15

Merk op dat de massa van protonen en neutronen veel groter is dan dat van de quarks waaruit ze opgebouwd zijn! B.v. het proton: maar Hadronen (baryonen and mesonen) hebben een zeer complexe structuur! m p 1 M e V c 2 m u 2 ; 5 M e V c m d 6 M e V c 2 Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 16

Fundamentele interacties?
Alle krachten in de natuur, hoe divers ze ook mogen lijken, zijn te herleiden tot slechts vier fundamentele interacties: De zwaartekracht: vallende appels, de beweging van planeten omheen de zon, … Wordt door alles gevoeld. The elektromagnetische kracht: licht, magneten, elektriciteit, het grootste deel van de chemie, … Wordt gevoeld door alle elektrisch geladen deeltjes/objecten. De zwakke (kern) kracht: het β-verval, het verval van muonen, … Wordt gevoeld door zowel leptonen als quarks. De sterke (kern) kracht: bindt de quarks binnen protonen en neutronen, bindt neutronen en protonen binnen atoomkernen, … Wordt enkel door quarks gevoeld. Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 18

Vreemde eend: de zwaartekracht. Beschouw b.v. een elektron en een proton. De Coulomb (elektrostatische) kracht: The Newtoniaanse (gravitationele) kracht: De verhouding: F c o u l m b = e 2 4 " r F n e w t o = G N m p r 2 F c o u l m b n e w t = 1 4 " G N 2 p + 3 9 Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 19

De zwaartekracht is onvoorstelbaar zwak. Waarom voelen we ze dan zo goed? De zwaartekracht heeft enkel een aantrekkende component. Als gevolg is de zwaartekracht verwaarloosbaar in de elementaire deeltjesfysica. Wanneer wordt de zwaartekracht sterk? grootte ordes boven de energieën die we momenteel (of in de nabije toekomst) kunnen bereiken. Bijgevolg zullen we de zwaartekracht voor het moment ignoreren en er later op terug komen. Waarom de zwaartekracht zoveel zwakker is dan de andere krachten is een fascinerende open vraag! ( E ) = G N 2 ~ c 5 1 , 9 e V Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 20

Het Standaard Model Ons huidig begrip van de elementaire deeltjesfysica wordt geformuleerd in het Standaard Model. Krachten worden veroorzaakt door de uitwisseling van kracht deeltjes. Het krachtdeeltje voor de elektromagnetische kracht is het foton (massaloos en ladingsloos). De zwakke kracht ontstaat via de uitwisseling van (massieve) W+, W- en Z0 deeltjes. De massa’s: , De sterke kracht ontstaat door de uitwisseling van 8 verschillende (massaloze en ladingsloze) gluonen. De zwaartekracht wordt gemedieerd door de uitwisseling van de (nog niet rechtstreeks geobserveerde) (massaloze en ladingsloze) gravitonen. Het feit dat de W+ and W- elektrisch geladen zijn toont aan dat we en geünificeerde beschrijving van de zwakke en de elektromagnetische kracht krijgen: de elektrozwakke kracht! m W 8 G e V c 2 m Z 9 1 G e V c 2 Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 22

Het Standaard Model n ! p + e ¹ º
B.v. the elektromagnetische afstoting tussen twee elektronen: Het β-verval van het neutron: n ! p + e Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 23

Het Standaard Model In het Standaard Model: Meesterklassen Fysica 2007
17/03/ | pag. 24

Het Standaard Model De sterke kracht: quarks zijn opgesloten (confined)! Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 25

Het Standaard Model Typische reactie: een combinatie van de drie krachten/interacties: Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 26

Het Standaard Model De werkelijkheid is iets ingewikkelder….
Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 27

Het Standaard Model Het Standaard Model voorziet in een wiskundig kader dat de interacties zowel kwalitatief als kwantitatief beschrijft zodat: Alles consistent is met de wetten van de speciale relativiteitstheorie (zeer eenvoudig). Alles consistent is met de wetten van de kwantummechanica (zeer moeilijk). De enige klasse theorieën die aan deze criteria voldoet zijn de spontaan gebroken (Brout-Englert-Higgs) ijk (Yang-Mills) theorieën. Pioniers: Glashow, Salam, Weinberg, ‘t Hooft, Veltman, Gross, Pollitzer, Wilczek, … Subtiliteiten: spiegel symmetrie is gebroken en massa… Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 28

Het Standaard Model Pariteit (of spiegel symmetrie) is gebroken door de zwakke krachten (Yang and Lee). B.v. muon verval: Microscopisch: in het Standaard Model interageren rechts- en linkshandige deeltjes op zeer verschillende wijze via de zwakke krachten. Zwakke interacties zijn chiraal. Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 29

Het Standaard Model Kwantum consistentie maakt het bijzonder moeilijk om massieve materiedeeltjes in een chirale theorie te hebben. Zo is het ook zeer moeilijk om massieve krachtdeeltjes consistent te beschrijven. De oplossing voor dit probleem werd in 1964 gevonden door Brout-Englert-Higgs) spontane symmetrie breking of het Brout-Englert-Higgs mechanisme. Vereist de introductie van een nieuw deeltje: het Higgs deeltje. Elk deeltje dat niet-triviaal interageert met het Higgs deeltje krijgt een massa. Het Higgs deeltje heeft zelf een massa van minstens 114 GeV/c2 en waarschijnlijk ten hoogste 200 GeV/c2. Dit is de enige voorspelling van het Standaard Model dat nog niet ontdekt is (zie ook het volgende verhaal). Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 30

Open vragen? Het Standaard model dat gedurende de periode ontwikkeld werd, beschreef alle experimentele resultaten van dat moment. Daarenboven voorspelde het Standaard Model talrijke nieuwe fenomenen, deeltjes en interacties. Tot op de dag van vandaag is er geen enkele observatie in tegenstrijd met het Standaard Model en dit zowel kwalitatief als kwantitatief!  FRUSTRATIE????? Werkloze theoretische fysici? Nee, zowel de experimentele/observationele resultaten als het Standaard Model zelf geven hints voor nieuwe vragen/antwoorden! Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 32

Open vragen? Het Standaard Model heeft 19 (met een massa sector voor de neutrino’s wordt dit zelfs 30) vrije parameters die experimenteel bepaald moeten worden. Dit lijkt veel maar is het niet. B.v. in de chemie heeft men al de atoom massa’s (meer dan 100), reactie karakteristieken, … als vrije parameters. Hier heeft men slechts een handvol parameters nodig om een gigantisch aantal fysische fenomenen over verschillende grootte ordes in energie correct te beschrijven. Niettemin, elke vrije parameter is equivalent met een open vraag: Waarom heeft die parameter de waarde die men observeert? Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 33

Open vragen? Waarom zijn de interacties wat ze zijn? Spontaan gebroken niet-abelse ijktheorieën is weliswaar een zeer rigide constructie maar ze laat nog steeds een oneindig aantal variaties toe… Waarom drie generaties elementaire materie deeltjes en niet vier of twee? Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 34

Open vragen? De sterkte van de interacties zijn een functie van de afstands- of energieschaal Rond 1016 GeV: alle interacties hebben dezelfde sterkte. Signaal voor nieuwe fysica? Unificatie? Het hierarchie probleem: supersymmetrie? Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 35

Algemene relativiteit
De Einstein vergelijkingen in de algemene relativiteitstheorie zijn voor de zwaartekracht wat de Maxwell vergelijkingen voor de elektromagnetische kracht zijn. Gravitationele interactie ↔ kromming van tijd en ruimte. Algemene relativiteit is niet kwantiseerbaar  kwantum gravitatie??? Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 38

Zwarte gaten Ontsnappingssnelheid voor een homogene sfeer met massa en straal : Ontsnappingssnelheid = lichtsnelheid als (Laplace, 1798): De Schwarzschild straal is 9 mm voor de aarde, 3 km voor de zon … Zwarte gaten zijn alomtegenwoordig in de natuur… Onmiddellijk gevolg van Einstein’s vergelijkingen… M R v o n t s a p i g = q 2 M G N R c R S = 2 M G N c Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 40

Zwarte gaten T = S = A ` ` = p G ~ c ¼ 1 m
Kwantummechanica ↔ unitaire evolutie = er kan geen informatie verloren gaan!  De informatie paradox voor zwarte gaten… Hawking: zwarte gaten stralen maar de straling is thermisch… Tweede wet van de thermodynamica  entropie (Bekenstein-Hawking) met, T H = c 3 ~ 8 k B G N M 1 k B S H = 4 G N M 2 c ~ A ` P l ` P l = p G N ~ c 3 1 m Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 41

Zwarte gaten Zwarte gaten zijn buitengewoon eenvoudige fysische objecten, ze worden volledig gekarakteriseerd door een zeer beperkt aantal parameters: massa, impulsmoment, lading, … Entropie  (Bolzmann: de exponentiële van de entropie = # microtoestanden) wat zijn de microtoestanden??? ‘t Hooft: zwarte gaten maximaliseren de entropie. Waarom gaat de entropie dan als het oppervlakte en niet als het volume? Is er een holografisch principe aan het werk??? Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 42

Kosmologie De zwaartekracht stuurt de structuur van ons universum op zeer grote afstandsschalen. Maw gebruik algemene relativiteit om de kosmos te beschrijven. Vergelijk met waarnemingen. Sinds enige tijd: precisie data! Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 44

Kosmologie Waarom is het universum zo vlak?
Waarom is het universum zo homogeen? Waar komen de structuren op zeer grote schalen vandaan? Waarom zijn de CMB fluctuaties wat ze zijn? Wat gebeurde er bij de Big Bang? Inflatie? Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 45

Kosmologie Grote verrassing: de expansiesnelheid van het universum neemt momenteel toe = versnelling (type IA SN, WMAP). Donkere energie? We begrijpen maar 4% van de samenstelling van ons universum… Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 46

Een vooruitblik Al deze open vragen vereisen een begrip van de laatste onbekende hoek in de fysica: Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 48

Een vooruitblik Enig werkbaar idee: Elementaire deeltjes zijn geen punten maar minuscule snaren… Gedeeltelijk succesvol (zwarte gaten, holografie) maar nog in volle ontwikkeling… Nieuwe ideeën  nieuwe experimenten! Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 49

Een vooruitblik Elementaire deeltjesfysica betreedt een buitengewoon boeiende periode: Samenkomen van verschillende deelgebieden: deeltjesfysica – astrofysica – kosmologie. Talrijke nieuwe theoretische ideeën: supersymmetrie, extra dimensies, landscape, … Nieuwe experimenten bijna online. De hele wereld kijkt uit naar de opstart van LHC, herfst 2007!!! Zie volgend verhaal! Vele andere experimentele resultaten worden de komende jaren verwacht vanuit diverse hoeken: Ice3, Planck satelliet, LIGO, … Wordt zeker vervolgd! Meesterklassen Fysica 2007 17/03/ | pag. 50

Alexander Sevrin Vrije Universiteit Brussel en

Verwante presentaties

Presentatie over: "Alexander Sevrin Vrije Universiteit Brussel en"— Transcript van de presentatie:

Verwante presentaties

Over het project

Feedback

Inloggen

Inloggen via een sociaal netwerk:

Alexander Sevrin Vrije Universiteit Brussel en

Verwante presentaties

Presentatie over: "Alexander Sevrin Vrije Universiteit Brussel en"— Transcript van de presentatie:

Verwante presentaties

Over het project

Feedback