Transcript LHC - Nikhef

De LHC:
Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur
Niels Tuning (Nikhef) 25 mei 2012
Zoektocht naar de elementaire
bouwstenen van de Natuur
Deeltjesfysica
Bestudeert de natuur op afstanden < 10-15 m
10-15 m
atoom
kern
Quantum theorie beschrijft alle metingen tot 10-18 m
(Ter vergelijk: 10+18 m = 100 lichtjaar)
Machten van tien …
Heelal
1026 m
Spin
10-2 m
Melkweg
1021 m
Atoom
10-10 m
Zonnestelsel
1013 m
Kern
10-15 m
Aarde
107 m
Botsingen
10-18 m
Elementaire deeltjes fysica
Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden:
Wat zijn de bouwstenen van de materie ?
 Welke krachten werken op deze bouwstenen ?
400 v.Chr.
Demokritos
atoom
1687
Newton
krachten
1864
Maxwell
electromagnetisme
1905
Einstein
van alles…
Wat is het nut van dit onderzoek?
Fundamenteel onderzoek
– Kan leiden tot verrassingen,
• Soms zelfs nuttig…
• Maar per definitie van te voren onbekend
“Zonder relativiteitstheorie zit de GPS er
10km/dag naast!”
Wat is het nut van dit onderzoek?
Fundamenteel onderzoek
– Heeft nuttige bij-effecten
• Medische toepassingen
• Internet
• Opleiden van onderzoekers voor de maatschappij
(Philips, ASML, etc, etc)
PET scan
www
Zoektocht naar de elementaire
bouwstenen van de Natuur
De stand van zaken in maart 2009
http:// pdg.lbl.gov
De elementaire deeltjes
up
down
up
up
Proton
down
elektron
up
down
down
Neutron
Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen?
periodiek systeem
van Mendeleev
Alles!
De elementaire deeltjes
leptons
quarks
Niet één serie, maar drie!
I
II
III
u
c
t
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
(2000)
De elementaire deeltjes
leptons
quarks
Generatie:
I
II
III
Lading
u
c
t
+2/3 e
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
-1 e
0e
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
(2000)
Materie
-1/3 e
Is dit alles?
leptons
quarks
Generatie:
I
II
III
Lading
u
c
t
+2/3 e
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
-1 e
0e
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
-1/3 e
(2000)
Materie
•Fundamentele deeltjes en deeltjesversnellers
Anti-materie
Revoluties begin vorige eeuw:
– Relativiteitstheorie
– Quantum Mechanica
Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie!
Voor elk materiedeeltje bestaat
een anti-materiedeeltje!
Anti-materie deeltje:
• Zelfde massa
• Tegenovergestelde lading
leptons
quarks
De elementaire deeltjes
I
II
III
Lading
u
c
t
+2/3 e
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
-1 e
0e
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
(2000)
Materie
-1/3 e
leptons
quarks
De elementaire deeltjes
I
II
III
Lading
Lading
I
II
III
u
c
t
+2/3 e
-2/3 e
u
c
t
-1/3 e
+1/3 e
d
s
b
t
d
e
(1976)
(1995)
s
b
(1947)
(1978)
m
t
-1 e
+1 e
e
m
0e
0e
ne
nm nt
(1895)
(1936)
(1973)
ne
nm
nt
(1956)
(1963)
(2000)
Materie
Anti-materie
Hoe maak je anti-materie??
Albert Einstein:
E=mc2
materie + antimaterie = licht !
(en vice versa)
e+
ee+ e-
Anti-materie in ziekenhuizen:
de PET-scan
+

ee

Wat snappen we nog niet:
I. Wat snappen we nog niet? “Anti-materie”
Waar is de anti-materie gebleven?
Geen anti-materie
met satellieten
Geen anti-materie
sterrenstelsels
II. Wat snappen we nog niet? “Higgs”
Massa van deeltjes
Neutrino’s
Elektron
Muon
Tau
up,down, strange
charm
Bijzondere voorspelling:
Top quark
Het Higgs boson:
zorgt ervoor dat deeltjes massa
kunnen hebben in de theorie
bottom
III. Wat snappen we nog niet? “Donkere materie”
Temperatuurfluctuaties
structuur van het heelal
Rotatie-curves
Gravitationele lens
Wat is de
donkere materie ?
We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd!
Wat snappen we niet?
Drie Grote Vragen
Higgs??
(wat maakt deeltjes zwaar)
Anti-materie??
(waar is het gebleven)
Donkere materie??
(wat klonterde de sterrenstelsels)
Astronomie
Deeltjes
fysica
Fundamenteel
(nieuwsgierigheid gedreven)
onderzoek
•Waar is de Anti-materie heen?
De grootste microscoop op aarde
de Large Hadron Collider (LHC)
op CERN bij Genève
De LHC deeltjesversneller
Geneve
De Large Hadron Collider
LHC: 27 km
Geneve
A10: 32 km
Amsterdam
The LHC machine
Energie is gelimiteerd door de kracht
van 1232 dipool magneten: B= 8.4 T
Logistieke nachtmerrie
maar gelukt
40 miljoen botsingen per seconde
Bundel 1
Bundel 2
Klassiek botsen
Quantummechanisch botsen
proton
proton
Botsingen van Deeltjes
•Niels Tuning Open Dag 2008
Wat verwacht je ?
Al 30 jaar bestaan er precieze
wiskundige voorspellingen!
Albert Einstein
Bij de LHC op CERN:
Energie omzetten in massa (deeltjes)
 je kan nieuwe deeltjes maken
Hoe zien die botsingen er nou uit ?
quark
quark
Simulatie top quark productie
quark
proton
elektron
proton
neutrino
quark
LHCb
ATLAS
CMS
ALICE
het grootste fototoestel op aarde
positie en impuls
geladen deeltjes
magneet
muon detector
magneet
energie elektronen en fotonen
energie quark-deeltjes
mens
De Atlas pixel detector
80 MegaPixel camera 40.000.000 foto’s per seconde
De Atlas Muon Detector
Nikhef
CERN
mens
Hoe ontdek je nou nieuwe dingen
Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector
Nieuw ?
Normaal
muon
muon
muon
?
muon
Higgs  ZZ  4 leptonen
klein aantal schitterende botsingen
l-
4-lepton massa
•50% kans dat ATLAS detector ze
allemaal goed terugvindt
mH = 190 GeV
mH = 150 GeV
Met Higgs
ll-
higgs
hZZ  l+l-l+l-
• Maar 1 op de 1000 Higgs bosonen
vervalt naar 4 leptonen
‘overig’
Z
Z
30.000 Higgs bosonen
16 Higgs  4 lepton
events
l+
mH = 360 GeV
52 events
68 events
4-lepton massa (GeV)
Higgs  2 fotonen
foton
•ATLAS Preliminary
Preliminary
•ATLAS
higgs
foton
piekje ?
hγγ verval
•HypothetischHiggs
Higgs
Hypothetisch
signaal (m
(mhh =
= 120
120 GeV)
signaal
GeV)
•100
150
110
160
120
130
140
•γγ invariante massa
(GeV)
γγ invariante massa (GeV)
De LHCb Outer Tracker
The LHCb Detector
23 sep 2010
Run 79646
19:49:24
Event 143858637
LHCb: onderzoek B-verval
1) Vindt verschillen tussen materie en anti-materie
b
s
s
b
b
s
2) Vindt nieuwe deeltjes
μ
μ
LHCb: onderzoek B-verval
B0s→μμ?
2) Vindt nieuwe deeltjes
B0s→μμ
b
s
μ
μ
Zoektocht naar de elementaire bouwstenen
van de Natuur
De grote vragen
Wat is donkere materie?
Waar is de anti-materie gebleven?
Waarom is zwaartekracht zo gek ?
[email protected]
EINDE