Jo van den Brand 26 september 2013
-
Upload
autumn-tate -
Category
Documents
-
view
52 -
download
0
description
Transcript of Jo van den Brand 26 september 2013
![Page 2: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/2.jpg)
Overzicht• Docent informatie
• Jo van den Brand & Gideon Koekoek• Email: [email protected] en [email protected] • 0620 539 484 / 020 592 2000
• Rooster informatie• Donderdag 10:00 – 13:00, HG 08A-05 (totaal 10 keer)• Collegevrije week: 24 oktober 2013
• Boek en website• David Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley and Sons,
ISBN 978-3-527-40601-2 (2008)• Zie website URL: www.nikhef.nl/~jo
• Beoordeling• Huiswerkopgaven 20%, tentamen 80%
![Page 3: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/3.jpg)
Deeltjesfysica
`De studie van Materie, Energie, Ruimte en Tijd’
Ambities van de Elementaire Deeltjesfysica
Unificatie Gravitatie KosmischeConnecties
![Page 4: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/4.jpg)
Palet van deeltjesfysica• We hebben veel gereedschap tot onze beschikking van moderne
versnellers tot satellieten in de ruimte tot experimenten diep ondergrond.
AcceleratorLHC Magnet
Space
The science requires forefront accelerators at the energy and luminosity frontiers. But, it also requires innovative experiments in space, underground, and away from accelerators.
Subterranean SNO, Antares, Icecube
![Page 5: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/5.jpg)
• Heelal bestaat uit `dark particles’, onbekend en het zijn geen atomen.
• Een vreemde `dark force’ doordringt de ruimte en drijft die uit elkaar.
• Krachtige nieuwe ideëen• Nieuwe deeltjes• Nieuwe krachten• Verborgen dimensies
Recente ontdekkingen wijzen naar een nieuwe wereld
String theorie voorspelt dat erzeven extra ruimtelijke dimensies wachten om ontdekt te worden.
![Page 6: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/6.jpg)
Inhoud
• Inleiding• Deeltjes• Interacties
• Relativistische kinematica• Speciale relativiteitstheorie• Viervectoren• Energie en impuls
• Quantumfysica• Formalisme• Spin van deeltjes
• Structuur van hadronen
• Symmetrieën• Behoudwetten, quarkmodel• Symmetriebreking
• Veldentheorie• Lagrange formalisme• Feynman regels
• Quantumelektrodynamica• Diracvergelijking
• Quarks en hadronen• Quantumchromodynamica
• Elektrozwakke wisselwerking• Higgs formalisme
Relativistische quantumveldentheorieRelativistische quantumveldentheorie
![Page 7: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/7.jpg)
Inleiding: waar de wereld uit bestaat
• De wereld om ons heen en het Universum zijn opgebouwd uit een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie die gewoon waren in het prille begin van het Universum.
• Het is verrassend dat deze grote varieteit bestaat uit een relatief klein aantal eenvoudige bouwstenen.
![Page 8: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/8.jpg)
Concept: atoom
Zuiver filosofisch denken
![Page 9: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/9.jpg)
Het concept van elementen
In de filosofie van Aristoteles waren er vier elementen
Dalton (1808) rangschikte, op gewicht veel van de elementen die we vandaag kennen
![Page 10: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/10.jpg)
Het periodieke systeem
Mendeleev (1869) introduceerde het periodieke systeem
![Page 11: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/11.jpg)
De structuur van atomenRutherford (1912) toonde aan dat atomen een centrale kern bevatten
Elektronen draaien rond de kern met precies gedefinieerde energie en slecht gedefinieerde posities
10-10
m
![Page 12: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/12.jpg)
Elementairsinds1897
Elementair sinds1974
Deeltjesfysica
Reductionisme
![Page 13: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/13.jpg)
Gewone materie• Alle materie bestaat uit bijna honderd
soorten atomen• De kern bestaat uit positieve protonen en
neutrale neutronen – elk zo’n 2000 keer zwaarder dan het elektron.
• Het elektron lijkt geen interne structuur te hebben. Protonen en neutronen zijn echter samengestelde deeltjes.
• De quarks lijken weer geen structuur te hebben. Enkel twee soorten quarks, `up’ en `down’ genaamd, zijn nodig om het proton en neutron te bouwen (met ladingen +2/3 and -1/3 ten opzichte van de lading van het elektron van -1.
• Er is nog een structuurloos deeltje nodig om het beeld compleet te maken. Het elektron-neutrino.
![Page 14: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/14.jpg)
Kosmische materie
• Theodore Wulf – Jezuit uit Valkenburg
Victor Hess ontdekt `kosmische’ straling. Nieuwe soorten deeltjes worden
gevonden: vooral muonen. Muon lijkt op elektron
– maar dan 200 keer meer massa. – leeft gemiddeld 2.2 us – en vervalt in een elektron en twee neutrale
deeltjes. De muonen komen van het verval van
kortlevende deeltjes, die soms een derde type quark bevatten: het vreemde quark.
Kosmische materie: naast `gewone’ materie ook muon, muon-neutrino en het vreemde quark.
![Page 15: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/15.jpg)
Deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) maken een regen van secundaire deeltjes in de atmosfeer
Een muon leeft 2.2 sec. Welke afstand kan het dan met de lichtsnelheid bewegend afleggen?
(3x108 m/s)(2.2 x 10-6 s) = 660 m.
Toch bereiken muonen het aardoppervlak!
![Page 16: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/16.jpg)
• Equivalentie van massa
en energie:
E = m c²
• Bewegende klokken
lopen langzamer:
t = ( > 1 )
Relativiteitstheorie
Albert Einstein (1879 – 1955)
![Page 17: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/17.jpg)
Muonen zichtbaar maken met vonkenkamer
![Page 18: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/18.jpg)
Het muon
Ontdekt in kosmische straling door Neddermeyer en Anderson (1936)
Lijkt identiek aan het elektron, maar200 keer zo massief
Vervalt binnen 2.2 msec
‘Who ordered that?’ - I I Rabi
![Page 19: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/19.jpg)
Hoge energie materie In 2013: 8 TeV proton-proton botser Hoogste prioriteit in ons vakgebied
ATLAS
ALICE
CMS
LHCb
![Page 20: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/20.jpg)
Large Hadron Collider
NikhefWetenschappelijk programma LHC
![Page 21: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/21.jpg)
Massa’s van deeltjes in MeV; 1 MeV 1.81027 gram
Drie families: 1897 - 2000
quarks
leptonen
![Page 22: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/22.jpg)
Quarks en leptonen
Quarks
Leptonen
![Page 23: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/23.jpg)
Samenvattend: de acteurs
![Page 24: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/24.jpg)
Interacties - dynamica
![Page 25: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/25.jpg)
Krachten
• De bouwstenen van de natuur vormen structuren, van protonen to sterrenstelsels. Dit komt omdat deeltjes met elkaar wisselwerken.
• De bekendste kracht is gravitatie. Hierdoor staan we op aarde en bewegen de planeten rond de zon.
• Gravitatie is met name belangrijk in massieve objecten en is zwak tussen individuele bouwstenen.
• Een sterkere fundamentele kracht manifesteert zich in de effecten van elektriciteit en magnetisme.
• De elektromagnetische kracht bindt negatieve elektronen aan de positieve kernen in atomen. Het geeft ook aanleiding tot de vorming van moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen.
Omega Centauri globular cluster
![Page 26: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/26.jpg)
“Zwakke” wisselwerking
d
p u
u
d
u n
d
e
e
W
![Page 27: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/27.jpg)
Interacties: QED, QCD, EZ, Gravitatie
EM
Gravitatie
![Page 28: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/28.jpg)
Feynman diagrammen - QED
tijd
Elementair process - vertex - propagator - asymptotische toestand - structuur qq - antideeltje notatie
Møllerscattering
Bhabhascattering
Feynman 1965
![Page 29: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/29.jpg)
Feynman diagrammen - QED
Bhabhascattering
+
![Page 30: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/30.jpg)
Feynman diagrammen - QED
Paar annihilatie Compton verstrooiingPaar productie
Hierbij wordt gebruik gemaakt van crossing symmetry:als A + B C + D toegestaan, dan is ook A + C B + Ddynamisch toegestaan.
![Page 31: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/31.jpg)
Feynman diagrammen - QED
Hogere-orde bijdragen tot de overgangsamplitude
Interne deeltjes zijn virtueel (niet waarneembaar)
Elke vertex levert een factor 1/137
![Page 32: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/32.jpg)
Feynman diagrammen - QED
Meest nauwkeurige natuurkundige theorie
Vele tientallen jaren rekenarbeid
Precisie: 10 significante cijfers!
Perfecte overeenstemming met experimenten
![Page 33: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/33.jpg)
Feynman diagrammen - QCD
Elementair process - structuur qgq - vertex koppeling (~1)
Gluonen dragen kleurlading
Gluonen hebben zelfkoppeling
D.J. GrossH.D. PolitzerF. Wilczek2004
![Page 34: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/34.jpg)
QCD voorbeeld
Kracht tussen twee blauwe quarks door gluon uitwisseling
Kracht tussen 2 blauwe quarks wordt overgebracht door gluon
Corresponderende operator
Sterkte van de koppeling
Kleurspinoren
Interactie
Gell-Mann matrices
![Page 35: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/35.jpg)
Feynman diagrammen - QCD
Kracht tussen twee quarks door gluon uitwisseling
Kracht tussen twee protonen
Een quark uit een proton trekken
Confinement
![Page 36: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/36.jpg)
Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht
Lepton: geladen vertex
Lepton: neutrale vertex
Quark: geladen vertex
Quark: neutrale vertex
Geen flavor changing neutral currents!
Of absorbeer een W+
Voorspeld door GWS
![Page 37: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/37.jpg)
Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht
Nodig voor de interne consistentie van de Glashow, Weinberg en Salam (GWS) theorie
Geladen Ws koppelen aan het foton
GlashowWeinbergSalam1979
![Page 38: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/38.jpg)
Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht
Muon-neutrino verstrooiing
Muon verval
Neutrino verstrooiingOntdekking van Z op CERN (1973)
Correctie op de Coulomb interactie
RubbiaVan der Meer1984
![Page 39: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/39.jpg)
Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht
Semi-leptonisch proces
Pion verval
Neutron verval
![Page 40: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/40.jpg)
Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht
Verval van neutrale Delta:via zwakke wisselwerking
Verval van neutrale Delta:via sterke wisselwerking
![Page 41: Jo van den Brand 26 september 2013](https://reader035.fdocuments.in/reader035/viewer/2022062304/56812f68550346895d94f177/html5/thumbnails/41.jpg)
Feynman diagrammen – Elektrozwakke kracht
Neutrino scattering
Het lijkt eenvoudig dat quarks de elektrozwakke wisselwerking op dezelfde wijze als leptonen ondergaan
Niet helemaal …
Martinus VeltmanGerard ‘t Hooft1999