titel

1
RAADSELS VAN DE NATUURKUNDE Ronald
Westra Dep. Mathematics Maastricht
University Oktober 20, 2005
2
NU BESCHIKBAAR alle lectures op http//www.math
.unimaas.nl/personal/ronaldw/home1.htm
3
Deel 5 Het Standaard Model
4
CPART V IInhoud  
1. VEEL-DEELTJES QUANTUM MECHANIKA EN QFT 2. DE ELEMENTAIRE-DEELTJES JUNGLE 3. SOORTEN KRACHTEN EN DEELTJES 4. HET STANDAARDMODEL 5. PROBLEMEN VAN HET STANDAARD MODEL
5
Relativiteitstheorie is ongeveer het werk van een
man
Albert Einstein, 21-2-1955
6
Quantum Mechanika heeft al vele vaders en een
moeder
7
Modern Natuurkundig Onderzoek telt duizenden
onderzoekers

CERN meer dan 1000 research teams
8
Theorie
Experiment
fotoelectrisch effect UV catastrofe
Planck, Einstein quantum
Bohr, de Broglie 1ste QM
Verklaring spectra, etc, etc, etc,
Schrodinger , Pauli, Heisenberg 2de QM
Dirac, Fermi, Bose, Einstein veeldeeltjes- QMQ
veldentheorie
ontdekking neutron, neutrono, positron, muon,
9
Ontwikkeling van de theorie een rode lijn Quantummechanika QM (Bohr) QM (Schrodinger) Quantum-veldentheorie QFT (Dirac, ) Quantum Electro-dynamica QED Quantum Chromo-dynamica QCD ( Standaard Model)
10
VEEL-DEELTJES QUANTUM MECHANIKA EN
QUANTUM-VELDENTHEORIEEN (QFT)
11
Van een deeltje naar veel deeltjes De Schrödinger vergelijking beschrijft de dynamika van een deeltje
In de echte wereld gaat het echter om interacties tussen vele deeltjes. Al snel werd duidelijk dat de beschrijving van veel deeltjes systemen met de Schrödinger-vergelijking grote mathematische problemen gaf.
12
Quantum theorie van veeldeeltjes systemen
De Quantum-theorie van veel-deeltjes systemen is mathematisch erg complex hoe moeten de individuele golf-functies gecombineerd worden? (NP-hard) de interacties moeten per combinatie gespecificeerd worden.
13
Quantum theorie van veeldeeltjes systemen
Inmiddels werd uit zowel theorie als experiment duidelijk dat er andere eisen aan de beschrijving van elementaire deeltjes gesteld moeten worden Combinatie van de de golffuncties van meerdere deeltjes bleek namelijk statistisch op uitsluitend twee manieren te kunnen de manier van de Bose en Einstein statistiek BOSONEN (bv photonen) de manier van Fermi en Dirac FERMIONEN (bv elektronen)
14
Quantum theorie van veeldeeltjes systemen
Dit kan gezien worden als de eerste stap naar de
Quantum-veldentheorie
De feitelijke geboorte van de QFT (Quantum Field Theory) geschiedde echter in 1928 en de geestelijk vader is ...
15
Paul Dirac Nobelprijs 1933
16
Net zoals de vergelijking x24 twee
verschillende oplossingen toe staat (x2 of
x-2), zo staat ook Dirac's vergelijking twee
verschillende oplossingen toe eentje voor het
normale elektron met positieve energie, en eentje
voor een elektron met negatieve energie.
Dirac gaf hier een veel ruimere betekenis aan
voor elk deeltje bestaat er een overeenkomstig
deeltje, geheel identiek maar met tegengestelde
lading. Voor het elektron is dit "antielektron"
het positron in alle opzichten identiek, alleen
met een positieve electrische lading.
17
De (relativistische) Dirac vergelijking voor het elektron/positron
De Dirac-zee positieve en negatieve oplossingen
Interpretatie Dirac Het elektron/positron paar
18
1928 Voorspelling van het anti-deeltje van het elektron het positron
1934 Waarneming van het positron
19
Quantum Veldentheorie
Hoe? Tweede kwantisatie van ruimte en tijd Kwantisatie van de velden (bv EM) maar ook de interacties tussen deeltjes Zo ontstaat een theorie voor veel-deeltjes-systemen De interactie tussen de deeltjes geschiedt eveneens door deeltjes
20
ANTIMATERIE
21
Geschiedenis van de Antimaterie
1928 Dirac introduceert antimaterie 1932
antielectronen (positronen) gevonden in de
omzetting van energie in materie 1995
anti-waterstof bestaande uit antiprotonen en
positronen gemaakt in CERN
In principe kan een antiwereld gebouwd worden van
antimaterie In werkelijkheid wordt antimaterie
alleen geproduceerd in versnellers en kosmische
straling
22
Paar-productie
Als bosonen vervallen in deeltjes worden gelijke
hoeveelheden materie en antimaterie gevormd (?)
23
Annihilatie
Antimaterie bestaat niet in de vrije natuur
(?) Het zal direct annihileren met materie en
energie vormen
24
DE ELEMENTAIRE DEELTJES JUNGLE
25
Vragen in de Deeltjes-fysica
Wat zijn de elementaire bouwstenen van de materie? Welke krachtvelden bepalen het gedrag op de kleinste schaal?
26

• DE QUEESTE NAAR HET ELEMENTAIRE DEELTJE
• Oude Grieken
• aarde, lucht, vuur, water
• 1900, ongeveer 100 chemische elementen
• 1936, terug naar drie elementaire deeltjes
  proton, neutron, electron

27
De explosie van elementaire deeltjes in de
periode 1936 - 1961
In 1936 waren er drie elementaire deeltjes proton, neutron, en het elektron Men dacht hiermee de bouwstenen van de materie te kennen Echter werden daarna het ene na het andere elementaire deeltje gevonden tot zon honderd in 1960 Men sprak wel van de deeltjes-dierentuin of deeltjes-jungle
28
History of Constituents of Matter
AD
29
 
Historisch overzicht
   
30
S0
po
L
D-
Do
K-
D
W-
p-
p
p
D
K0
K
De Deeltjes Zoo !
31
Wanneer is een deeltje elementair?

• Een deeltje is elementair als het geen
  inwendige structuur heeft dus niet is
  opgebouwd uit kleinere deeltjes

32
2. Welke deeltjes werden ooit als elementair
beschouwd?

• Oudheid Vier elementen. Vruchteloze poging naar
  een atomistische theorie in de vijfde eeuw voor
  jaartelling (Demokritos).
• 18de eeuw Lavoisier en Dalton valideren
  experimenteel de (chemische) atoom structuur.
• 1868 Mendelejev stelt het Periodiek Systeem
  der Elementen voor, dat toen 63 atomen bevatte.
  De lege vakjes werden gauw gevuld. In 1896,
  waren er al 77 elementen ontdekt, die allen als
  elementair golden.
• 1897 Ontdekking van het eerste subatomaire
  deeltje door J.J Thompson het elektron. Meteen
  begint de speurtocht naar een positief-geladen
  tegenhanger
• 1911 Rutherford ontdekt de atoomkern.
  Transmutatie-reacties tonen aan dat de
  waterstof-kern een belangrijke rol speelt (42He
  147N ? 189F ? 178O 11p) . Rutherford noemt het
  proton (protos eerste)

33

• 1932 Chadwick ontdekt het neutron, dat
  geisoleerd niet stabiel blijkt te zijn n ? p
  e- ( ?e) . Het trio proton, elektron,
  neutron bepaalt de atomaire strukturen van alle
  elementen in het Heelal.
• Dit was de simpelste elementaire
  deeltjes-verzameling ooit. Een klein aantal
  deeltjes en een klein aantal interacties.
• LEPTON (leptos licht) e-
• BARYONS (baryos zwaar) p , n

34

• Echter, er waren meteen al enkele problemen
• 1. Het photon Photoelectrisch effect Compton
  verstrooiing.
• 2. Anti-deeltjes De ontdekking van het
  positron door Anderson (1932) in kosmische
  straling. Nog veel meer elementaire deeltjes
  zouden ontdekt in kosmische straling worden
• 3. Mesonen Deze deeltjes werden eerst voorspeld
  door Yukawa (1935) vanwege de sterke kracht die
  de atoom-kern bijeen houdt. Omdat ze van
  middelbare massa waren werden ze mesonen gedoopt
  (mesos midden).
• 4. Neutrinos Noodzakelijk om de energie te
  behouden bij het van ß verval ( elektron-verval)

35

• Van de deeltjes tuin naar de deeltjes jungle
• In 1937 ontdekte Anderson het muon µ.
• Het µ bleek een soort zwaar electron (lepton) te
  zijn.

Het muon vervalt in een ß-deeltje ( electron)
als µ ?µ ? e- ?e
I.I Rabi, Nobel 1944
In 1947 werden pionen (mesonen) ontdekt in
cosmische straling. Men dacht dat het de
dragers van de sterke wisselwerking waren die
de Japanner Yukawas had voorspeld. Het heelal
leek weer in orde behalve dan het muon maar
dat speelde toch geen zichtbare rol. MAAR eind
1947 werden weer nieuwe mesonen gevonden de
kaons. Zo werd het toch weer druk in de
deeltjestuin In de 50er jaren werden met de
nieuwe deeltjesversnellers vele nieuwe deeltjes
gevonden. Sommige daarvan waren raar (
strange) omdat ze ontstonden uit de sterke
wisselwerking, maar vevielen via de zwakker
wiselwerking.
36

• Nog erger er ontbrak inzicht waarom sommige
  verval-pocessen wel en andere niet mogelijk waren
  
• Waarom is p- p ? K S- wel mogelijk ,
• en p- p ? K0 n niet ?
• In 1953, kwamen Gell-Mann en Nishijima met een
  simpel en elegant idee. Elk deeltje heeft een
  zekere strangeness (vreemdheid), en de totale
  strangeness in een botsing is behouden (net als
  energie en impuls).
• Dit gaf DRIE behoudswetten voor
  deeltjes-identiteit in interacties
• Lading
• Baryon getal (proton-achtige deeltjes)
• Strangeness

37

• Toch waren er in 1960 al tientallen elementaire
  deeltjes, en wel pion-achtig (mesonen) of
  proton-achtig (baryons). Baryonen zijn gevoelig
  voor de sterke wisselwerking, maar mesonen niet.
  Elk type kan strange of niet-strange zijn.
• In 1955, Willis Lamb bij aanvaarding van zijn
  Nobelprijs maybe physicists discovering a new
  particle ought to be fined 10 000

38

• Er was een grote behoefte aan vereenvoudiging.
• In 1961 bracht Murray Gell Mann deze
  vereenvoudiging aan.
• Hij deed daarmee net als Mendelejev honderd jaar
  eerder.
• Het Periodieke Systeem van Gell Mann is bekend
  als

39
THE EIGHTFOLD WAY (1961) DE ACHTVOUDIGE WEG
40
HET QUARK MODEL
41
De 8-voudige weg Het Baryon Octet
n
p
S0
S
S-
S-1
S0 ?
Q1
S-2
?0
?-
Q0
Q-1
42
De 8-voudige weg Het Meson Octet
K0
K
S1
p
?-
S 0
p0 ?
Q1
S 1
K0
K-
Q0
Q-1
43
Het Quark Model (1964)
S1
s
Q2/3
Q-1/3
d
u
u
d
S0
Q-1/3
Q-2/3
S-1
s
44
De oorsprong van het woord Quark
James Joyce
Three Quarks for Muster Mark
Murray Gell-Mann
45
Quarks zijn de fundamentele bouwstenen van
baryonen en mesonen.
46
De zes types quarks twee soorten in drie
generaties
47
(No Transcript)
48
Hadronen, Baryonen, Mesonen Een hadron is geen
elementair deeltje maar bestaat uit quarks en
antiquarks en gluonen. Het gluon draagt de
kleur-kracht de de quarks samen houdt Gewone
quantum getallen spin, pariteit, C-pariteit,
massa. Flavour quantum getallen isospin,
strangeness, etc. Hadrons bestaan in twee
klassen Baryons zijn fermion. met baryon getal
B1 proton, neutron), Mesons zijn bosonen met
B0.
49
Quantum chromodynamika
50
Quark Hypothese

• Mesonen zijn gebonden quark-antiquark states p
  is u-d.
• Baryonen zijn gebonden states van drie quarks p
  is uud.
• Het quarks-model werd bevestigd door de
  ontdekking in 1964 van het O- sss baryon met
  strangeness -3.
• Het bestaan van quarks als deeltjes is
  experimenteel bevestigd door Rutherford-achtige
  experimenten bij SLAC in 1968 (Friedman, Kendall,
  Taylor).
• Samen met de leptonen en de vector-bosonen
  (lijmdeeltjes) zijn de quarks de elementaire
  deeltjes van vandaag.

51
3. Weer nieuwe deeltjes, maar nu met orde en
symmetrie...

• Quark-dynamika is nu bekend, met 8 photon-achtige
  lijmdeeltjes de gluonen.
• Na enkele rustige jaren was er de November
  Revolutie van 1974 toen een nieuwe quark (charm
  quark) werd ontdekt door de ontdekking van een
  nieuw meson J/? meson (c-c).
• In 1975 werd het ?-lepton ontdekt.
• In 1977 het ?-meson (b b) dat aanleiding gaf tot
  het bottom quark.
• In 1983 werden de lijmdeeltjes voor de zwakke
  wisselwerking ontdekt bij CERN W- en Z0
  bosonen
• De symmetrie van zes quarks en zes leptonen was
  compleet met de ontdkking van het top quark in
  1995.

52
Ontdekking van het Top quark (1995)
53
Elementaire deeltjes vandaag
54
HET STANDAARD MODEL
55

Ontdekkers van het Standaard Model
1. De Nobelprijs winnaars
1979 Nobel Prize-- GLASHOW, SALAM and WEINBERG
the theory of the unified weak and
electromagnetic interaction.
1984 Nobel Prize-- RUBBIA and VAN DER MEER
the discovery of the field particles W and Z,
communicators of weak interaction.
56
2. Question What is Standard Model?
57

(No Transcript)
58

(No Transcript)
59
KLEUR-BEHOUD
60
Quantum chromodynamika Quantum chromodynamika
(QCD) is de theorie van de sterke wisselwerking.
Het beschrijft de interacties van quarks en
gluonen in de vorm van een QFT (quantum field
theory). QCD is een belangrijk onderdeel van
het standaard model. Er is nu een ruime
hoeveelheid experimenteel bewijs voor de QCD.
61
Quantum chromodynamika QCD heeft twee bijzondere
eigenschappen Asymptotische vrijheid bij zeer
hoge energieen bemerken quarks en gluonen elkaar
nauwelijks. Voorspeld vanuit QCD en in 1970
gevonden door Politzer, Wilczek, en Gross
Nobelprijs 2004. Quark-confinement De kracht
tussen quarks neemt niet af bij onderlinge
verwijdering. Daarom zou het een oneindige
hoeveelheid energie kosten om twee quarks te
scheiden. Ze zijn voor eeuwig gebonden in
hadronen (bv proton en neutron). Dit is
experimenteel nog niet bewezen, maar een goede
verklaring waarom er geen vrije quarks worden
waargenomen.
62
Quantum chromodynamika Quarks are massive
spin-1/2 fermions which carry a color charge
whose gauging is the content of QCD. Quarks are
represented by Dirac fields in the fundamental
representation 3 of the gauge group SU(3). They
also carry electric charge (either -1/3 or 2/3)
and participate in weak interactions as part of
isospin doublets. They carry global quantum
numbers including the baryon number, which is 1/3
for each quark, hypercharge and one of the flavor
quantum numbers. Gluons are spin-1 bosons which
also carry color charges, since they lie in the
adjoint representation 8 of SU(3). They have no
electric charge, do not participate in the weak
interactions, and have no flavor. They lie in the
singlet representation 1 of all these symmetry
groups. Every quark has its own antiquark. The
charge of each antiquark is exactly the opposite
of the corresponding quark.
63
Quantum chromodynamika Behoud van kleur in een
meson
64
VACUUM-FLUCTUATIES
65
VACUUM FLUCTUATIES Quantum field theory
beschouwt de vacuum ground state niet als
volledig leeg, maar als een broeiende massa van
virtuele deeltjes en velden. Omdat deze slechts
even bestaan (Heisenberg!) heten ze vacuum
fluctuaties. In het Casimir effect, veranderen
twee metalen platen de vacuum energy dichtheid
en dat geeft een meetbaar effect! Is er een
verband tussen de vacuum energie en de "dark
energy" (quintessence, antigravity) of de
cosmologische constante in de algemene
relativiteitstheorie?
66
Hendrik Casimir (1909-2000) Beschouw twee
parallelle spiegels in vacuum. De fluctuaties in
het vacuum oefenen een stralingsdruk" op de
platen. Gemiddeld is de uitwendige druk (rood)
groter dan de inwendige druk (groen). Beide
spiegels trekken elkaar aan met de Casimir kracht
F hA/d4, met A de oppervlakte en d de afstand
van de platen. Het is een quantum-effect, want
het verdwijnt als h ? 0
67
Het Casimir effect kan experimenteel goed gemeten
worden
68
DE FUNDAMENTELE WISSELWERKINGEN
69
Ordegrootte van afstanden
70
De vier fundamentele wisselwerkingen
71
(No Transcript)
72
5. PROBLEMEN MET HET STANDAARD MODEL
73

• PROBLEMEN MET HET
• STANDAARD MODEL
• Hoewel het Standaard Model een groot succes is in
  het verklaren van experimentele waarnemingen, is
  het nooit als copmplete theorie van de
  elementaire natuurkunde geaccepteerd.
• Dit is omdat het twee serioeuze tekortkomingen
  heeft
• Het model heeft 19 vrije prameters, zoals de
  deeltjes-massas en nog 10 voor de
  neutrino-massas. Deze parameters kunnen alleen
  experimenteel bepaald worden.
• In het standaardmodel ontbreekt de zwaartekracht.

74
Extra Deeltjes versnellers
75
The Cockcroft and Walton Apparatus


76
(No Transcript)
77
CERN LEP APPLET
http//www.hep.ucl.ac.uk/masterclass/Acc_sim2/simu
lator.html
78
3. Science needs advanced technology and vice
versa
Accelerator
How to Obtain Particles
79
Modern Detectors
Bubble Chamber
80
Triggering
The ATLAS Level-2 Trigger
The ATLAS Level-1 Trigger
81
(No Transcript)
82
(No Transcript)
83
Proton-Proton Collisions inside the LHC at CERN
84
Volgende keer GUTs en TOEs