Materie bouwstenen van het heelal FEW 2009

Materie – bouwstenen van het heelal

FEW 2009

Prof.dr Jo van den Brand [email protected] 2 september 2009

Waar de wereld van gemaakt is  De wereld kent een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie.  Vraag: bestaan er fundamentele bouwstenen? (liefst een klein aantal…)

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 2

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

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 3

Het periodieke systeem

Mendeleev (1869) introduceerde het periodieke systeem

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 4

De structuur van atomen Rutherford (1912) toonde aan dat atomen een centrale kern bevatten

-10

10 m

Elektronen draaien rond de kern met precies gedefinieerde energie en slecht gedefinieerde posities © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 5

Deeltjes fysica

Elementair sinds 1897

Elementair sinds 1974 © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 6

Gewone materie  Alle materie: ~100 soorten atomen  De kern heeft 99.9% van de massa  Het elektron is puntvormig.  Protonen en neutronen zijn echter samengestelde deeltjes.  De quarks lijken weer puntvormig – In principe enkel `up’ en `down’ quarks nodig als bouwstenen.

 Verder nog het elektronneutrino.

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 7

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 ms – 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.

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 8

Deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) maken een regen van secundaire deeltjes in de atmosfeer

Een muon leeft 2.2 msec. 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! © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 9

Albert Einstein (1879 – 1955) Relativiteitstheorie • Equivalentie van massa en energie: E = m c² • Bewegende klokken

lopen langzamer: t= 

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 10

(  > 1)

Muonen zichtbaar maken met vonkenkamer

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 11

Het muon

Ontdekt in kosmische straling door Neddermeyer en Anderson (1936)

Lijkt identiek aan het elektron, maar 200 keer zo massief Vervalt binnen 2.2 msec ‘Who ordered that?’ - I I Rabi

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 12

Hoge energie materie  In 2008: 14 TeV proton-proton botser  Hoogste prioriteit in ons vakgebied

CMS

ALICE LHCb ATLAS

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 13

Large Hadron Collider

Nikhef Wetenschappelijk programma LHC

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 14

Drie families: 1897 – 2000 – Standaard Model

Massa’s van deeltjes in MeV; 1 MeV  1.81027 gram © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 15

Krachten  Structuren: van protonen to sterrenstelsels  Gravitatie: de bekendste kracht – Hierdoor staan we op aarde en – bewegen de planeten rond de zon – Belangrijk in massieve objecten

 Elektriciteit en magnetisme – Veel sterker dan gravitatie! – Vormt atomen, moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen.

 Nieuwe krachten: – Sterke kracht – Zwakke kracht

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 16

Omega Centauri globular cluster

Stervorming

 Gravitationele krachten in H2 gebieden  Protostellaire objecten ontstaan door:  Dalende potentiele energie en stijgende kinetische energie  Verdichting kern, verhoging temperatuur en druk

17 © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 17

protosterren  Sterren ontstaan in de omgeving van sterren  Bij voldoende druk, massa, temperatuur en stabiliteit onstaat er kernfusie  Druk = diameter x gravitatieversnelling  Temperatuur is recht evenredig met de druk

18 © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 18

“Zwakke” Interacties – pp cyclus

d  un d 

d  p u u 

W © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 19



e

e

De Kern: de witte motor  Kernfusies treden in het centrum van de Zon op. Ultieme bron van (bijna) alle energie in het Zonnestelsel.  Voornaamste reactie: de pp-cyclus: 4 1H → 4He + 2γ + 2e+ + 2ν Hierbij komt per He kern 26.7 MeV vrij in γ’s.

 Basis gegevens: Straal = 6.96x108 m Massa = 1.989x1030 kg Lichtkracht = 3.85x1026 W Leeftijd = 4.5x109 jr Oppervlakte temperatuur: 5700 K. De Zon is een ‘normale’ ster van type G2. © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 20

Een nieuw inzicht: energie = massa

1 liter water 2 liter water Verwarm 1 liter water tot 100 °C: bij 0 °C 0 °Ckcal = 418 kJ Δ Ebij = 100 m = 1,000 kg

m = 2,000 kg  Δ m = 0,0046 mg = Δ E / c² © Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 21

Fotosfeer: het zonnespectrum  De fotosfeer geeft zeer belangrijke informatie over de chemische samenstelling van de Zon.

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 22

Kernfusie  Lijnen van waterstof in een spectrum

 Lijnen van helium in een spectrum

 Lijnen van koolstof in een spectrum

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 23

Sterren als de zon halen energie uit kernfusie: 4 H  He + 2e + 2 + energie Per seconde zet de zon 570 000 000 000 kg waterstof om De massa van de zon neemt per seconde af met 4 300 000 000 kg!

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 24

Opbouw van de zon:  Straling van kernfusie wordt in radiatieve kern naar buiten getransporteerd.  Op 1/3 van de rand is dit niet meer de meest effectieve manier van transport. De Zon wordt nu convectief.  Warmte wordt door gasbellen naar buiten getransporteerd.

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 25

De Zonneneutrino’s

Bij elke pp-cyclus reactie komen 2 neutrino’s vrij voor elk He-atoom dat ontstaat. Jarenlang was er het neutrino-probleem: we detecteren veel minder neutrino’s dan er geproduceerd zouden moeten worden: ongeveer 1/3de. Oplossing kwam door de neutrino-oscillaties: neutrino’s kunnen van ‘kleur’ veranderen. ve  νμ  ντ

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 26

The way to go…. ITER Realiseer kernfusie op aarde 100 miljoen oC

500 MW vermogen

Kosten: constructie $ 2.755M bedrijf $ 3.760M (20 jaar)

afvoeren $ 335M

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 27

Nucleosynthese – Big Bang en in sterren

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 28

Nucleosynthese in supernovae 3 x 106 km, 300 s

Ni synthese

4000 km 32 x 106 km, 3 uur

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 29

Supernova

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 30

Neutrino fysica – Superkamiokande

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 31

Neutrino fysica – Borexino in Gran Sasso

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 32

Kosmische neutrino’s – Antares en KM3NET

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 33

Kosmische neutrino’s – Amanda en Icecube

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 34