1 / 61

Grenzen aan het extreme

Grenzen aan het extreme. Ed vd Heuvel ‘van oerknal tot uitdijend heelal’. elementaire deeltjes. kosmologie. Groot, groter, grootst. Klein, kleiner, kleinst. leven-wetenschappen. Op weg naar de kleinste bouwstenen De wereld van de elementaire deeltjes Hoe voelen die elkaars aanwezigheid?

quon-bell
Download Presentation

Grenzen aan het extreme

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Grenzen aan het extreme Ed vd Heuvel‘van oerknal tot uitdijend heelal’ elementaire deeltjes kosmologie Groot, groter, grootst Klein,kleiner,kleinst leven-wetenschappen

  2. Op weg naar de kleinste bouwstenen • De wereld van de elementaire deeltjes • Hoe voelen die elkaars aanwezigheid? • De wereld van de elementaire krachten • Nog kleiner? Nieuwe krachten? • De onbeantwoorde vragen van de wetenschap • Hoe komen we meer te weten? • Deeltjesversnellers, botsingen met extreme energieën

  3. Op weg naar de kleinste bouwstenen De elementaire deeltjes

  4. De wereld om ons heen Schaal: Figuur heeft grootte van 1 meter

  5. Klein… Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10 meter Oftewel 10 cm, 10-1 m

  6. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/100 meter Oftewel 1 cm, 10-2 m

  7. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/1000 meter Oftewel 1 mm, 10-3 m Het vliegenoog is opgebouwd uit honderden ‘facetten’; het lijkt hiermee op een bijenkorf

  8. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10000 meter Oftewel 0.1 mm, 10-4 m Elk ‘facet’ is een kleine lens met daaronder lichtgevoelige cellen.

  9. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/100000 meter Oftewel 10 m, 10-5 m Dit is de orde van grootte waarmee ultieme precisie apparatuur wordt gemaakt;grootte van een cel Tussen de facetten is een gevoelig haartje zichtbaar als sensor voor het oogoppervlak

  10. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/1000000 meter Oftewel 1 m, 10-6 m

  11. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10000000 meter Oftewel 0.1 m, 10-7 m Details van het celoppervlak zichtbaar gemaakt

  12. Klein… kleiner Schaal: Figuur heeft grootte van 1/10000000 meter Oftewel 0.01 m, 10-8 m DNA molecuul in de kern van de cel. Het bevat al het genetische materiaal.

  13. Het atoom: De kleinste eenheid van een element. Diameter van ongeveer 1/10.000.000.000 m oftewel 10-10 m Elektronen omcirkelen de atoomkern Verschillende atomen: Hebben een verschillende hoeveelheid elektronen. Hebben een verschillende atoomkern

  14. Dan: elektronen in cirkel-banen ver buiten de stadsgrenzen! Het atoom is zo goed als leeg! • Stel je maakt een modelvan een waterstof atoom • Kern (proton) als voetbal opmiddenstip Arena • Elementair elektron: • Niet op te delen in kleineredelen! Diameter proton: 1/1.000.000.000.000.000 m Oftewel 10-15 m

  15. Atoomkernen: protonen en neutronen Waterstof-kern 1 proton, geen neutronen+ geladen Gas bij kamertemperatuur Helium-kern 2 proton en 2 neutronen, ++ geladen Gas bij kamertemperatuur Lithium-kern 3 proton en 4 neutronen, +++ geladen Vast bij kamertemp

  16. Periodiek systeem van elementen Alle materialen, gassen, vloeistoffen opgebouwd uit deze ongeveer 100 ‘elementen’

  17. Quarks Inzoomen in atoomkern De Litium atoomkern: ‘Quarks’ als fundamentele bouwstenen van protonen en neutronen. Er zijn verschillende typen quarks; er zitten drie quarks in zowel een proton als in een neutron

  18. 2/3 -1/3 0 -1 Elementaire spelers Koolstof: 18 u 18 d 6 e- Proton: u + u + d quark, lading=1 Neutron: u + d + d quark, lading=0 Quarks Leptonen Elektrische lading

  19. Veel deeltjes? • Einstein heeft een relatie gevonden tussen massa enenergie • Hiermee kan energieworden omgezet in materie • Zo zijn in laboratoriaveel meer deeltjes ontdekt. • “gevonden” in laboratoriumexperimenten E=mc2 A. Einstein (1879-1955)

  20. Kosmische deeltjes: muonen () ‘Muon kamers’ van het ATLAS experiment bij NIKHEF Muonen lijken op elektronen, maar hebben een grotere massa. Ze worden bv gemaakt door straling uit de ruimte die tegen de aard-atmosfeer botst

  21. Materie en anti-materie • Voor elk deeltje komt ook een corresponderend antideeltje voor in de natuur. • Anti-deeltje heeft precies dezelfde massa • Anti-deeltje heeft tegengestelde lading! • Deeltje + anti-deeltje geeft pure energie • Energie gelijk aan E=mc2 • Pure energie kan deeltje + anti-deeltje creëren Dagelijkse kost in deeltjesversnellers: e+e+ e+eup+up

  22. 2nd generatie 3rd generatie 2/3 2/3 -1/3 -1/3 0 0 -1 -1 De elementaire bouwstenen Anno 2005: De elementaire deeltjes bij elkaar 1st generatie Quarks Leptonen

  23. Exotische naamgeving Alleen up+down quark en elektron in ‘dagelijkse materie’ • Quarks “Three quarks for Muster Mark!” – James Joyce, Finnigans wake • Verschillende typen gevonden • Up • Down • Strange • Charm • Bottom • Top • Leptonen • Elektronen en hun zware partners (neutrino-deeltjes overgeslagen) • Elektron • Muon • Tau Maken de atoomkernen: protonen en neutronen Eerste ‘vreemde’ quark; niet in gewone materie Gevonden in 1974 Gevonden in 1977 Gevonden in 1995 Gevonden in 1900 door JJ Thompson Gevonden in 1948 Gevonden in 1975

  24. Hoe voelen ze elkaar? De wereld van de elementaire krachten

  25. Wat is een kracht? Met elke kracht wordt een ‘krachtdeeltje’ geassocieerd

  26. Elektro-magnetische kracht • Aantrekking en afstoting van elektrisch geladen deeltjes • Gelijke lading afstotend – ongelijke lading aantrekkend • Veel dagelijkse krachten zijn hierop terug te voeren • Onderlinge aantrekking atomen • Stabiliteit materialen - • Spierkracht - • Residu elektro-magnetische kracht in werking: • Elektronen en protonen trekken elkaar aan

  27. 1000000000000000000000000 fotonen/sec voor communicatie Elektro-magnetisme • Elektromagnetisme • Elektrisch geladen deeltjes • Uitwisselend kracht deeltje: fotonen,licht! • Fotonen schieten door het heelal heen

  28. Probleem met kernen • Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen • Protonen zijn (positief) elektrisch geladen • Waarom blijven die bij elkaar ‘op een kluitje’ zitten?

  29. Sterke kernkracht Superlijm voor quarks! • Sterke wisselwerking • Bindt quarks bijeen • Uitwisselend krachtdeeltje: gluonen • Gluonen blijven dicht bij elkaar:werkt alleen op heel korte afstand

  30. Bouwen met quarks De sterke wisselwerking aan het werk De natuur volgt strikte regels: alleen samenstelling drie quarks – of quark-anti-quark mogelijk ‘Broertjes& zusjes’ van protonen en neutronen! Speel lego met quarks

  31. (1963) ‘Periodiek systeem’ van quarks • Hoeveel samengestelde deeltjes kun je maken uit 3 quarks? De samengestelde deeltjes met u,d,s,c quarks zijn allemaal gevonden in botsingen

  32. Radioaktiviteit • Voor grote atoomkernen ‘houdt’ de sterke kracht de buitenste protonen en neutronen niet meer bijeen • Er wordt een α-deeltje uitgezonden: • De atoomkern is niet stabiel en valt uiteen • Hier komt een heleboel energie bij vrij • Maar het totale aantal protonen en neutronen blijft gelijk Twee protonen en neutronen minder α-deeltje: twee protonen en neutronen

  33. Sporen van geladen deeltjes Glazen staafje met Americiumbron (halfwaardetijd 458 jaar) (indirekte) Rookmelder met het element Americium:Straalt α-deeltjes uit en die veroorzaken een kleine stroom. Bij rook worden de α-deeltjes geblokkeerd en de stroom stopt. Op dat moment gaat de sirene af

  34. neutronproton+elektron (+neutrino) Nog een kernkracht! • Quarks en leptonen kunnen vervallen:dwz: zij veranderen van type • Bv top-quark vervalt in bottom quark etc… • Quarks en leptonen met grote massa vallen uiteen in quarks en leptonen met kleinere massa • Het verschil in massa wordt omgezet in energie via E=mc2 • Hierdoor zijn alleen elektron en proton (met uud quarks) stabiel • alle andere (uit andere ‘families’) niet. Verval van een neutron. Zwakke kernkracht

  35. De zwakke kernkracht • De krachtdeeltjes worden W+, W- en Z0 deeltjes genoemd • Dit zijn krachtdeeltjes die ook zelfeen massa hebben – ongeveer100 maal de massa van een proton! • Ontdekt in 1983 in Geneve(nobel prijs oa naar Simon van der Meer) pp  WX W  ee

  36. nuclear wapens ( 1945) Energie uit kernfusie geneeskunde ( 19??) Branden van de zon Sterke & zwakke kernkracht Radio-chemische datering, kanker behandeling, ………

  37. ‘Standaard Model’ 1 type beschrijving(quantumvelden ijktheorieen) Samenvatting wisselwerkingen 4 basis typen wisselwerkingen

  38. Nog kleiner? Nieuwe krachten? De onbeantwoorde vragen van de wetenschap

  39. Waarom 3 families?Zijn er meer? 2nd generatie 3rd generatie 2/3 2/3 -1/3 -1/3 0 0 -1 -1 Elementaire spelers Zijn deze quarks echt elementair?? 1st generatie Quarks Leptonen

  40. Status van het Standaard Model • Veel succes met het Standaard Model • Prima beschrijving van alle typen botsingen • Nobel prijs (1999) naar Gerard ‘t Hooft en Martinus Veltman • Onderliggende wiskundige structuur • Maar er mist iets: • Het ‘Standaard Model’ voorspelt het bestaan van het Higgs deeltje. Maar dit deeltje is nog nooit waargenomen. • Maar het is onvolledig: • Het Standaard model beschrijft niet de zwaartekracht. • En er zit ‘estetisch’ iets scheef • Het Standaard model heeft (te) veel ad hoc parameters nodig – is er een eenvoudiger diepere structuur?

  41. Veel vragen blijven onbeantwoord Zijn quarks en leptonen echt elementair ? Waarom zijn er 3 families ? Zijn er meer ? Waarom leven we in een wereld van materie, en niet van antimaterie? Is het Standaard Model de ultieme theorie? Wat is verband tussen kracht deeltjes en materie deeltjes? Worden de krachten geünificeerd? Speelt snaar-theorie een rol? Fascinerende en merkwaardige theorieën: Hoeveel dimensies bestaan er werkelijk? Wat is donkere materie? Onverwachte processen? De grote vragen

  42. Hoe komen we meer te weten? Botsingen in deeltjesversnellers

  43. Verstrooiings-experimenten Verstrooiing ‘zachte’ kern Een aardbei Verstrooiing ‘harde’ kern Een aardbei met pit Dit soort verstrooings-experimenten onthullen de interne structuur Gereedschap voor het bestuderen van materie op kleinst nivo

  44. Resolutie van een microscoop • Bekogel in het donker een onbekend voorwerp. Wat is het? • Gooien met grote voetballen geeft lage resolutie • Gooien met kleine knikkers geeft hoge resolutie • ‘Resolutie’ hangt af van energie van de botsingen • Hoe hoger de energie van de botsingHoe beter de ‘scherpte’ om het voorwerp te ‘zien’.

  45. Grote versnellers • Versneller - laboratoria in de wereld: • Bv CERN (Geneve)http://www.cern.ch TV versnelt elektronen tot energie van 20000 volt = 0.00002 GeV ~zichtbaar licht cyclotron grote versnellers

  46. De ultieme versneller:Large Hadron Collider (2007-20??)

  47. De meetopstelling • De versneller: Large Hadron Collider • Protonen botsen op protonen • 27 km omtrek • De meetopstelling:ATLAS • Detectie van botsings-producten • 46x25x26m Waanzinnige parameters: Grootte~ 10 keer zo ‘ingewikkeld’ als ooit tevoren Menskracht >4000 natuurkundigen Kosten > 3000 M€

  48. Omzetting energie naar deetjes metE=mc2 LHC machine • Proton-proton botsingen: • Beschikbare energie: 14000 GeV • Zoeken naar deeltjes met grote massa • Limiet gegeven door sterkte magneten • 1232 magneten met B=8.4 T, operationeel bij 1.9 K • Grootste koelkast ter wereld • Bundel-intensiteit enorm • Zoeken naar zeer zeldzame processen • Elke seconde 40 miljoen mogelijke botsingen

More Related