Cursus deeltjesfysica Bijeenkomst 4 (17 april 2014) Deeltjes in de cosmos
prof Stan Bentvelsen en prof Jo van den Brand Nikhef -‐ Science Park 105 -‐ 1098 XG Amsterdam
[email protected] -‐
[email protected]
ITS academy -‐ 5 maart 2014 -‐ Speciale relativiteitstheorie
1
keerpunten
4
1. Compton golflengte
3
•De Broglie golflengte voor een materiedeeltje – massa m, energie E=mc2
! !
– Onderscheid tussen deeltjes-‐ en golf karakter
•Compton golflengte voor deeltje
= h/mc
!
– Fundamentele limiet op meten precisie van positie deeltje. – Stel grotere nauwkeurigheid om deeltje te meten •dan wordt onzekerheid in impuls groot genoeg om extra deeltje te maken! Nog nauwkeuriger positie maakt alleen maar nieuwe deeltjes 2
2 4
2 2
E =m c +p c
p = mc
‘kinetische’ energie gelijk aan creatie nieuwe m
x
1 4
h mc
De Planckschaal “Punt”deeltje met massa m Quantum mechanica
Relativiteitstheorie
Compton golflengte h LC =
mc
Plankmassa:
=
Schwarzschild straal 2Gm RS = 2 c
, mP L =
hc 2G
LP L =
2hG c3
Enige opmerkingen •Schwartzschild straal 2Gm 2G RS = 2 = 2 m = 1.48 · 10 27 [m/kg]m[kg] c c = 2.95[km/zonmassa]m[zonmassa]
5
Planck schalen
6
•MPL: kwantummechanica en zwaartekracht samen
– voor elementaire deeltjes de effecten van zwaartekracht niet meer negeren – voor zwaartekracht de kwantum effecten van elementaire deeltjes niet meer negeren
•Planck grootheden – massa !
– lengte kleinst mogelijke zinvolle afstand !
– tijd ! kleinst mogelijke zinvolle tijd
– temperatuur temperatuur waarbij zwarte gaten verdampen -‐ begin Big Bang
1.4 · 1034 K
Fermionen: elementaire spelers
7
Waarom 3 families?
Zijn er meer?
1e familie
2e familie
3e familie
2/3
2/3
-1/3
-1/3
0
0
-1
-1
Quarks
Leptonen
Fundamentele krachten
Standaard Model van elementaire deeltjes
8
Fundamentele krachten Quantum velden theorie
Photon (m=0)
W-‐ & Z boson (m=80, 91 GeV)
Gluon (m=0)
Glashow -‐ Weinberg -‐ Salam Electro Weak theory (1967) Quantum
Electro Dynamics Standaard Model van elementaire deeltjes
Quantum
Chromo Dynamics 9
Voorbij het Standaard Model? •De LHC betreedt nieuwe energie domein van botsingen !
•Niemand wist wat de LHC
zou ontdekken
– speculaties van theoretici – inmiddels Higgs deeltje
ontdekt !
•Het doel is om structuur der materie op ‘kleinste afstanden’ te onderzoeken – kleiner dan 10-‐19 m; op zoek naar nieuwe fenomenen
10
2. Ontdekking Higgs deeltje •Vinden van Higgs deeltje fundamenteel nieuw begrip van de natuur -‐ met name het vacuum ! ! ! ! ! ! ! !
– Ontdekking van Higgs deeltje is niet zomaar een nieuw deeltje -‐ het laat een heel nieuw mechanisme zien
11
Nobel prijs 2013: Higgs en Englert
"for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider"
12
Quantumfluctuaties
13
•Higgs veld geeft massa
– De massa van W,Z deeltjes
worden veroorzaakt
door het Higgs veld !
!
Hiermee is de ! theorie niet “klaar” ! !
•Theorie kan niet verklaren: – Waarom is MH << MPlanck
MH = 126 GeV/c2
Higgs massa -‐ hiërarchie probleem
14
•Kwantum fluctuaties
– de massa van het Higgs deeltje wordt aangepast! – fluctuaties kunnen zo groot worden als MPlanck !
– Higgs massa mH: !
m2H
!
m20 + cMP2
•mH: massa zoals je meet bij LHC •m0: echte theoretische massa (onmeetbaar!) •cMP: kwantum fluctuaties !
•Onopgeloste vraag:
– mH ongeveer 102 GeV – MP ongeveer 1019 GeV – Je moet m0 in theorie ‘stoppen’ met grote nauwkeurigheid!
Waarom is MH ≪ MPlanck? – Kan worden geregeld in theorie -‐ maar niet makkelijk!
•Door nauwkeurig ‘afstemmen’ van een parameter uit het model. ! ! ! ! !
•Hoe nauwkeurig?
– met 34 cijfers nauwkeurig! – alsof je de tip van een potloot, zo groot als het zonnestelsel, plaatst met nauwkeurigheid van 0.1 mm
15
Waarom is MH ≪ MPlanck? •De observatie dat MH ≪ MPlanck heeft een verklaring nodig ! ! ! ! !
•Mogelijkheid:
– bij grote energie komen nieuwe krachten en deeltjes in het spel -‐ nieuwe symmetrie? -‐ die een (dynamische) verklaring geven
•Pure speculatie!
– leidt tot fantastische nieuwe concepten
16
Supersymmetrie en ‘extra’ deeltjes •Fundamenteel verband tussen: – materiedeeltjes – krachtdeeltjes
•Postuleer het bestaan van ‘extra’ nieuwe deeltjes – Zodanig dat een ‘supersymmetrische’ transformatie bestaat die materie en krachtdeeltjes in elkaar laten overgaan.
•Supersymmetrie geeft ‘verklaring’ voor MH ≪ MPlanck – Postuleren van nieuwe symmetrie leidt tot voorspelling van nieuwe deeltjes. – De LHC is op zoek naar deze nieuwe vormen van materie.
17
Supersymmetrische deeltjes
18
veel nieuwe deeltjes “supersymmetrie” verbindt de eigenschappen
Er is er nog geen één ontdekt!
kosmische verbinding
19
•De verbinding tussen de quantumwereld en de kosmologie is een van de meest fascinerende van moderne natuurkunde
kosmologie
quantumwereld
kosmische achtergrond
3. De kosmos
20
•Heelal opgebouwd uit
– sterren – sterrenstelsels – clusters van sterrenstelsels •dieper in heelal ‘kijken’ betekent verder naar verleden
•Kosmisch principe
– Heelal is isotroop en homogeen •ziet hetzelfde uit in alle richtingen
noord
zuid
Het uitdijend heelal Hubblewet: v = H d
Hubble constante = = 50-‐100 km /sec.Mpc
Levensduur van het heelal: t = d/v = 1/H = 15 miljard jaar
21
Evolutie van het heelal
22
Algemene relativiteitstheorie
23
•Einstein’s wetten van de algemene relativiteitstheorie
toegepast op gehele kosmos – voorspelling: heelal is dynamisch -‐ maar hoe is evolutie?
Uitdijing van het universum •Scenarios for the expansion of the universe: •the bottom orange curve represents a closed, high density universe which expands for several billion years, then ultimately turns around and collapses under its own weight. •The green curve represents a flat, critical density universe in which the expansion rate continually slows down (the curves becomes ever more horizontal). •The blue curve shows an open, low density universe whose expansion is also slowing down, but not as much as the previous two because the pull of gravity is not as strong. •The top (red) curve shows a universe in which a large fraction of the matter is in a form dubbed "dark energy" which is causing the expansion of the universe to speed up (accelerate). There is growing evidence that our universe is following the red curve.
24
Raadselen van de kosmos
Rotational Curves
25
Galaxy Clusters
Anisotropy in CMB Weak Lensing
Large Scale Structure
I-‐ Rotatie curve sterrenstelsels
26
•Rotatie curves van sterrenstelsels – te snelle rotatie in vergelijk met zichtbare massa ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
•Is Newton (of ART) onjuist of is er een grote hoeveelheid ‘donkere materie’ om sterrenstelsel heen?
II-‐ Heelal als zwarte straler (1964)
27
•Observatie van een onverwachts hoog ruisgedrag in een radio ontvanger! – Onderzochten zelfs de bijdrage
van duivenpoep om tenslotte
te concluderen dat de “ruis”
veroorzaakt werd door
straling uit het Universum!
•Nagloei effect v/d Oerknal! Penzias (1932-) Wilson (1936-)
De straling correspondeert met 2.7 Kelvin en is zeer homogeen in elke richting
duivenval
II-‐ Heelal als zwarte straler
28
De straling correspondeert met 2.7 Kelvin en is homogeen in elke richting
T ≈ 2.725 K ≈ −270.5 oC
•COBE satelliet (2004)
– Kleine afwijkingen van de homogeniteit – Grote invloed op begrip van vroege heelal •Nobel prijs in 2004 John C. Mather, George F. Smoot
NRC HANDELSBLAD
Woensdag 12 februari 2003
II-‐ Anisotropie in de CMB •Minuscule afwijkingen van de gemiddelde temperatuur
29
II-‐ Anisotropie in de CMB
30
•Analyse van de ‘correlaties’ tussen de fluctuaties
– analyse van specifieke ‘grootten’ van de fluctuaties in l: ‘gevoelig’ voor hoeveelheid materie in universum
III-‐ botsende sterrenstelsels •Mbt ‘gravitational lenzing’ kan sterkte zwaartekracht worden bepaald ! ! ! ! ! ! ! ! !
•“botsing’ van twee sterrenstelsels – blauw: zwaartekracht – rood: gas van galaxies
•Er moet meer massa zijn dan wat zichtbaar is
31
Is er meer dan het Standaard Model alleen?
“dark stuff” 96%
‘Standaard Model’ deeltjes: quarks en leptonen
Enorme hoeveelheid ‘exotische materie’ in heelal
Laat deze materie zich kennen in de LHC? Higgs, Majorana en de Kosmos -‐ 27 oktober 2012 -‐ Museum Boerhaave Leiden
Welke deeltjes corresponderen met donkere materie?
Rotational Curves
Weak Lensing
Galaxy Clusters Large Scale Structure
Anisotropy in CMB
We zien slechts een kleine fractie
van alle aanwezige materie in ons universum
33/9
Nieuwe elementaire deeltjes? Elementaire deeltjes u
c
t
ɣ
d
s
b
g
ν
ν
ν
Z
e
μ
τ
W
Astronomische schaal
H
Standaard Model lijkt niet compleet. Sypersymmetrie oid
Bestaan donkere materie?
Voorspelling bestaan nieuwe elementaire deeltljes
“WIMP miracle”: Produceren precies goede eigenschappen voor donkere materie
Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) 34
Speurtocht naar WIMPs
35
Zoeken bij de LHC...
36
Zoeken naar WIMPs uit ruimte
2.5 ton of LXe
XENON1T
37/9
Alternatief voor zwaartekracht
38
•Modified Newtonian Dynamics (MOND) –aanpassen van de wetten van Newton •Zwaartekracht als informatie dichtheid? – Theorie van Erik Verlinde (2009)
•Zwaartekracht niet langer een fundamentele kracht maar het resultaat van een diepere microscopische realiteit op kwantummechanisch niveau. – vergelijk met de luchtdruk: de moleculen waaruit het gas bestaat kennen zelf geen luchtdruk, dit is louter een eigenschap van het gas.
•Analogie voor de zwaartekracht: – de kracht die schepen naar elkaar toe drijft die dicht bij elkaar in het water liggen. Dat effect ontstaat doordat er netto meer golven om de schepen heen aanwezig zijn dan ertussen. Tussen de beide schepen passen n.l. geen golven met een langere golflengte dan de afstand tussen de beide schepen.
vdWaals
