VAN ATOOM TOT KOSMOS

VAN ATOOM TOT KOSMOS

pjg.mulders@gmail.com

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

oktober/november 2020

College 4

Van Atoom tot Kosmos College 4: 29 oktober 2020

1. Herhaling en behandeling opgaven 2. De structuur van de materie ontrafeld

• quarks en leptonen

• Bouwstenen van baryonen en mesonen

• Hoe weten we dat allemaal?

• Antideeltjes en families van deeltjes 3. Het standaardmodel

61

→ Gerard ^'t Hooft

cellular automata

→ experiment ^EPR

Alain Aspect

BOUWSTENEN VAN DE SUBATOMAIRE WERELD

MATERIE

ELEKTRON ATOOM

10 ^-10 m

MATERIE

ELEKTRON ATOOM

10 ^-10 m

ATOOMKERN 10 ^-14 m

NEUTRINO

• In wereld van atoomkernen zijn de energieen MeV’s = 10 ⁶ eV’s

• Dus macroscopisch N _av x 1 MeV = 100 GJ

(~ totale energieverbruik van een persoon/jaar)

proton/neutron

ENERGIE IN MATERIE

• In wereld van kleine (fotosynthese, atomen, moleculen) werken we met

1 eV = 1,6 x 10 ^-19 J

• Aantal atomen in macroscopisch sample N _avogadro = 6 x 10 ²³

• Dus heel andere energieschalen N _av x 1 eV = 100 kJ

(lichaamsverbruik/dag is 8000 kJ)

From https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_density

64

ELEKTRON MATERIE

ATOOM 10 ^-10 m

ATOOMKERN 10 ^-14 m

NEUTRINO

NUCLEON

proton/neutron 10 ^-15 m

ELEKTRON MATERIE

ATOOM 10 ^-10 m

ATOOMKERN 10 ^-14 m

NEUTRINO

NUCLEON

proton/neutron

10 ^-15 m QUARK

up/down

< 0,000 000 000 000 000 001 m

proton neutron nucleonen

home

Massa komt voor circa 98% uit energie ten gevolge van opsluiting!

u u d d u d

BOUWSTENEN VAN DE MATERIE

a-

2 deeltjes

of

1 mdeeltje

met 2

quantum

toe Standen

proton neutron nucleonen

Murray Gell Mann &

George Zweig (1963)

SLAC experiments (1968)

u u d d u d

ELEMENTAIRE (?) BOUWSTENEN

+ anti-particles

familie T ^I

Y

I ₃ u¯ s d¯ s

u¯ u d ¯ d s¯ s

d¯ u u ¯ d

s ¯ d s¯ u

K ^⇤+

K ^⇤0

K ^⇤ K ^⇤0

⇢ ⁰ !

⇢ ⇢ ⁺

I 3 =-1 I 3 =+1

Y=+1

Y=-1

MESONS J = 1

quark model (threefold way of Murray Gell-Mann)

69

Y

uuu uud

udd ddd

dds

I ₃ uds uus

dss uss

sss

0 + ++

⌦

⌃ ^⇤

⌅ ^⇤ ⌅ ^⇤0

⌃ ^⇤0 ⌃ ^⇤+

I 3 =-1 I 3 =+1

Y=+1

Y=-2 Y=-1

BARYONS J = 3/2

Y

d ¯ ^+1/3

¯ u ^2/3

¯ s ^+1/3

I 3 =-1/2 I 3 =+1/2 Y=+2/3

Y=-1/3

I ₃ Y

uud udd

dds

I ₃

uds uus

uss dss

⌃ ⁺

⌃

⌅ ⌅ ⁰

p ⁺ n ⁰

⇤ ⌃ ⁰

I 3 =-1 I 3 =+1

Y=+1

Y=-1

BARYONS J = 1/2

Y

I ₃ u¯ s d¯ s

u¯ u d ¯ d s¯ s

⇡ ⁰ ⌘ ⌘ ⁰

d¯ u u ¯ d

s ¯ d s¯ u

K K ⁰

K ⁰ K ⁺

⇡ ⁺

⇡

I 3 =-1 I 3 =+1

Y=+1

Y=-1

MESONS J = 0

I ₃ Y

u ^+2/3 d ^1/3

s ^1/3

Y=+1/3

Y=-2/3 I 3 =-1/2 I 3 =+1/2

BASIS

Recentelijk zelfs aanwijzigingen voor systemen met twee quarks en twee anti-quarks!

SU (3) _color ⌦ SU(3) flavor ⌦ SU(2) spin

T

ffukattuur ^{Q - Ist} I

0

Is EE _Y

-

-

+ anti-particles

rond ¹⁹⁷⁵

Hoe weten we

dat allemaal?

De grootste microscoop op aarde

ATLAS

CMS

LHCb

Detectors at CERN

r

TT

← ↳

Atlas detector ‘leeg’

ul _s

y ^{> himepet energie Lading}

LHC-B detector

Antideeltjes

Deeltje met negatieve energie = antideeltje met positieve energie (Paul Dirac, 1931)

Positron discovered in 1932 (Carl Anderson)

E ² = p ² c ² + m ² c ⁴ ⇒ E = ± p ² c ² + m ² c ⁴

Paul Dirac

- i

X -

•

Fatten ^.

Antideeltjes

* ⁱ

⑤ ^← p Igy ^{area ,}

Standaard model

3 deeltjesfamilies

-

:

+ anti-particles

kraehtdeeltg.es

cvolgeude ^{week )}

§ ^'t

^ ⑤ # ⑤

G _gw

One

^ { ^W

f ^{② Tod}

{ ⁸

⑨ →

etc

81

Quantumveldentheorie

t

Quantummechanica &

relativiteitstheorie

Essentiele rol van vacuum (waarin

de vrijheidsgraden verstopt zitten,

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

VRAGEN?

82

83

|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

84