VAN ATOOM TOT KOSMOSpjg.mulders@gmail.comhttps://www.nat.vu.nl/~muldersPiet Muldersoktober/november2020

VAN ATOOM TOT KOSMOS

pjg.mulders@gmail.com

https://www.nat.vu.nl/~mulders Piet Mulders

oktober/november 2020

College 5

Van Atoom tot Kosmos

College 5: 5 november 2020

1. Herhaling en behandeling opgaven 2. Krachtdeeltjes in standaardmodel

• Concepten (meer volgende week)

• Ladingen en symmetrie (meer volgende week) 3. Krachtdeeltjes en ladingen à Feynman diagrammen

• Voorbeeld zwakke kracht

• Sterke kracht

• Werkzame doorsnedes als maat voor botsingsexperimenten

• Voorbeeld neutrinos 4. Vragen (ook tussendoor)

a- H4 .

Gravitate Neutrinos

⑧ _d

college

⁶

E×tra26n#no?t |8fartl3d5#

3 deeltjesfamilies

4 fundamentele krachten

Bijbehorende krachtdeeltjes Hoeveel families zijn er?

bo ts in gs w aa rs ch ijn lij kh ei d

energie (GeV)

Aantal families: drie soorten neutrinos!

Z ⁰ vervalt in

ü quark paren

(behalve top quarks!) ü lepton paren

§ e ⁺ e ^- , µ ⁺ µ ^- , t ⁺ t ^-

§ neutrino paren Leeftijd is omgekeerd evenredig met vervals- waarschijnlijkheid

1/t = G met G = S ^G i

bo ts in gs w aar sc hi jn lijk he id

energie (GeV)

+ anti-particles

Quantumveldentheorie

t

Quantummechanica &

relativiteitstheorie

Essentiele rol van vacuum (waarin

de vrijheidsgraden verstopt zitten,

d.w.z. waar die op off staan)

86

|0i

(t, . . .) = X

...

⇥ f _... (t, . . .) a _... + f _... ^⇤ (t, . . .) a ^† _... ⇤

quantumveld

a ^† _...

a _...

| . . .i

toestand

ruimte-tijd

energie, impuls, spin, ladingen

creatie-operator annihilatie-operator

samenhang in golffuncties f

fermion

deeltje C-symmetrie anti-deeltje

boson

SUSY

SUSY

rechts(om) links(om)

massa

P-symmetrie/chiraliteit or

+ - (p _x , p _y , p _z )

(x, y, z)

rotatie-symmetrie SO(3)

kleurlading SU(3)

lading

ijks ymme U(1)

trie

Lagrangian ^?

c

!

Actie = Energie x tijd = impuls x afstand

Sn el hei d = af st an d/ tij d = en er gi e/ im pu ls

0

ђ

Quantummechanica Relativistische quantummechanica

Klassieke mechanica Relativiteitstheorie licht

klein zwaar groot

!

VELDEN

DEELTJES/

OBJECTEN

GOLVEN/TOESTANDEN

Standaardmodel = quantumveldentheorie

tijd

Ruimte (1D)

toekomst

verleden

v = c v = -c

v < c

rechts links

Ladingen:

elektrisch zwak

sterk/kleur

massa

links links links

links rechts rechts

rechts

rechts

lading

Higgs/vacuum krachtdeeltje

Raamwerk voor massa’s en wisselwerkingen Symmetrie als leidraad

Deeltjes en antideeltjes: gelijke massa’s, tegengestelde ladingen

Bosonen en fermionen

Krachtdeeltjes van zwakke kracht

Krachtdeeltjes:

ü brengen krachten over ü creëren een paar

(deeltje-antideeltje) ü annihileren een paar

Richard Feynman

Martinus Veltman Gerard ‘t Hooft

en sterke

-

Inclusief ^{heel wed andere diagram men}

'

# ^e- Then

et yet

her e. fte ^Tmz

e- ^→ e' EY ^{e- ty → e- et - etty etc}

run #

* ^et

j ^→ Et ^et

Fgf A omdeeltjelawtideeltje.bg ^{te howden !}

Een voorbeeld: verval van neutron

Neutron beta-verval

Op niveau van quarks n à p + e ^- + n _e

d à u + e ^- + n _e

Maar in protonen zijn d-quarks veilig

en in stabiele atomen zijn neutronen veilig!

Hoe geven de quarks het proton zijn eigenschappen

Een ‘one-line’ theorie: QCD (Quantumchromodynamics) (Zo goed als) massaloze quarks

en gluonen

Protonen en neutronen:

Basis bouwstenen van atoomkernen, tezamen 99.5 % van de zichtbare massa in het heelal

L = − 1

4g ² FF + ψ (i/∂+ /A) ψ

QED versus QCD

Dit betekent een constante kracht T ₀ = 1 GeV/fm

= 20 Ton

Permanente

opsluiting van

gekleurde quarks

Quarks & gluons produce jets of particles

Ontdekking van gluon bij DESY (Hamburg)

Diep-inelastische botsingen bij DESY

PETRA@DESY

HERA@DESY

<latexit sha1_base64="WmjCGnAy8YvIrluKlXNESILNRB8=">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</latexit>

e + e ⁺ ! q + q + G

! jets

<latexit sha1_base64="P1uc/n7pYivrdullrJQTtD1whrQ=">AAACOHicdVBNbxMxFPS2FEJaaApHLlajoiCUaDcqKsdIXHojlciHlF0ir/OSuPXaG/ttq2iVn9ULP6M3xIUDCPXKL6iT7AESGMnSaGaent/EqRQWff+rt7P7aO/xk9LT8v7Bs+eHlaMXXaszw6HDtdSmHzMLUijooEAJ/dQAS2IJvfjqw9LvXYOxQqtPOE8hSthEibHgDJ00rHyEz3X6lqb0dSi1mhgxmSIzRt/QtVGb0bBep7PZG1oOw/+l8tAk9BLQLoaVqt/wV6DbJChIlRRoDyt34UjzLAGFXDJrB4GfYpQzg4JLWJTDzELK+BWbwMBRxRKwUb46fEFPnDKiY23cU0hX6p8TOUusnSexSyYMp3bTW4r/8gYZjt9HuVBphqD4etE4kxQ1XbZIR8IARzl3hHEj3F8pnzLDOLquy66EYPPkbdJtNoJ3Df/itNpqFnWUyCtyTGokIGekRc5Jm3QIJ7fkG/lBfnpfvO/eL+9+Hd3xipmX5C94vx8AZOepMQ==</latexit>

e + p ! e + (q qq)

! e + jets

-

jet

@ quark

① ^jet

e¥ImEg ^{• ) - jets jet @ quark glum}

"

. g9uank jef

Eames

#

£

Higgs deeltje in Atlas detector

LHC@CERN

Ontdekking van Higgs deeltje bij CERN

<latexit sha1_base64="YyXsjkn5qxl5ohA5wBW0VWCTX/Y=">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</latexit>

p + p ! quarks + antiquarks + gluons

! t + t + jets

! W ⁺ + W + b + b + jets

! µ ⁺ + µ + ⌫ _µ + ⌫ _µ + more jets

Higgs veld

én deeltje

Francois Englert, Peter Higgs, … 1964

LHC, 2012

:

zwakke kracht elektromagne- tische kracht

Sterkte van krachten

G _F ~ a /M _W ²

sterke kracht

Kan de Aarde neutrino’s stoppen

Voor neutrinos is werkzame doorsnede voor botsing met één proton heel klein: 10 ^-42 m ² . Maar er zitten behoorlijk wat, 10 ²⁴ protonen, in iedere cm ³ en dus zelfs 10 ³⁰ in iedere m ³

10 ^-42 m ² 1 m ²

Botsingkans = 10 ³⁰ x 10 ^-12 = 10 ^-5

1 m

Kan de Aarde neutrino’s stoppen

1 m ² Voor neutrinos is werkzame doorsnede voor

botsing met één proton heel klein: 10 ^-42 m ² . Maar er zitten behoorlijk wat, 10 ²⁴ protonen, in iedere cm ³ en dus zelfs 10 ³⁰ in iedere m ³

Dwars door de Aarde is ruim 10000 km (dus 10 ⁷ m). Dat betekent dat het neutrino maar liefst 10 ³⁷ protonen voor zich ziet.

Helaas dat is dus nog niet genoeg, de Aarde blijft een gatenkaas voor het neutrino. Het betekent dat er (gemiddeld) maar 1 op de 10 ⁵ neutrinos wordt gestopt.

10 ^-42 m ²

Botsingkans = 10 ³⁷ x 10 ^-42 = 10 ^-5

10 ⁷ m

Super Kamiokande

Zon gezien dwars door

de Aarde heen

VRAGEN?

Wat ^{is red van neutrino} ?

Meer hier over in college ⁶

WH aaron 3 families ^van gear

^{Es en le} pntonen ^{? ?}

met mind ^{er Zou Wereld er}

heel ^{anders with ien !}

( mater ^{ie vs}

^anti mater ie ratio )

- - ~ r -