Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Massahysterie over het massamysterie
dr. Frank FilthautRadboud Universiteit Nijmegen & Nikhef
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Voorbij het blote oog
Antoni van Leeuwenhoek, 1632-1723:
uitvinding van de microscoop
ontdekking van de eerste bacteriën (“kleine beestjes”), 0.5 - 500 μm
2
E. coli (grootte ~ 1 μm)
Resolutie beperkt tot ~ λgrens bij zichtbaar licht: 0.5 μmverbetering to ~ 1Å mogelijk met bijv. STM
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Klein - kleiner - kleinst
3
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Klein - kleiner - kleinst
3
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Klein - kleiner - kleinst
3
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Klein - kleiner - kleinst
ondeelbaar3
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Klein - kleiner - kleinst
ondeelbaar3
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Klein - kleiner - kleinst
ondeelbaar
ondeelbaar
3
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Geboorte van de deeltjesfysicaStrijd tussen Thomson (ontdekker elektron, 1897) enRutherford
Beslist door het gebruik van deeltjes om binnen hetatoom te kijken
Rutherford + Geiger, Marsden: botsingen vanα-deeltjes (4He-kernen) met een goudfolie
4
ladingsverdeling met atoomkern(Rutherford)
diffuseladingsverdeling(Thomson)
Ernest Rutherford
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Zoektocht naar elementaire deeltjes...
5
Rutherford, 1911
Friedman, Kendall, Taylor, 1968
kleine afmetingen ➠ hoge energieën
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Licht als krachtdeeltjeFoto-electrisch effect (1905):➠ deeltjeskarakter van licht
maar ook:“golfkarakter”van deeltjes(elektronen)
Elektromagnetische wisselwerking kan wordenbeschreven als het uitwisselen van fotonen in hetkrachtenveld tussen de twee deeltjes
Kwantum-electrodynamica (QED): voorspellingengeverifieerd tot precisie 10-13: een succes!
6
Albert Einstein
Richard Feynman
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
... en de wisselwerkingen tussen deeltjes
4 basis typen wisselwerkingen
7
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
... en de wisselwerkingen tussen deeltjes
4 basis typen wisselwerkingen
‘Standaard- model’
Prachtig!Dezelfde theorie voor 3 krachten
7
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Elementaire deeltjes in het StandaardmodelLeptonen:
2 × 3
Quarks:
2 × 3 × 3
... en antideeltjes
Krachtdeeltjes:
foton (elektromagnetisme)
gluonen (sterke wisselwerking)
W/Z (zwakke wisselwerking)
8
Ontbrekend (tot dit jaar): het Higgsdeeltje
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Elementaire deeltjes in het StandaardmodelLeptonen:
2 × 3
Quarks:
2 × 3 × 3
... en antideeltjes
Krachtdeeltjes:
foton (elektromagnetisme)
gluonen (sterke wisselwerking)
W/Z (zwakke wisselwerking)
8
Ontbrekend (tot dit jaar): het Higgsdeeltje
5⋅10-3
5⋅10-3
1,5
0,3
173
4,8
5⋅10-4 0,1 1,8
91
80
0
0
< 10-8
massa’s in GeV/c2 ~ mp
zwaar ➠ korte dracht (≪ 1fm = 10-15 m)
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
MassaEen onveranderlijke eigenschap van de materie?
9
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Massa uit interactie
Waterstofatoom: bindingsenergiet.g.v. Coulomb-interactie
mH < mp + me
Proton: bijna alle massa t.g.v.interactie
som van quarkmassa’s ≪ mp
10
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Massa uit interactie
Waterstofatoom: bindingsenergiet.g.v. Coulomb-interactie
mH < mp + me
Proton: bijna alle massa t.g.v.interactie
som van quarkmassa’s ≪ mp
10
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Massa door het Higgs-veldGeeft massa aan alle andere elementaire deeltjes
11
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Massieve fotonenMeißner-effect: een supergeleider stoot magnetische veldlijnen af
wiskundige beschrijving: massieve fotonen
maar dit heeft een medium (e- paar condensaat) nodig!
In de deeltjesfysica is het “medium” het vacuüm!
12
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Massieve fotonenMeißner-effect: een supergeleider stoot magnetische veldlijnen af
wiskundige beschrijving: massieve fotonen
maar dit heeft een medium (e- paar condensaat) nodig!
In de deeltjesfysica is het “medium” het vacuüm!
12
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Dramatis Personae
Theoretische artikelen uit 1964: bijna een halve eeuw oud!
pas echt belangrijk na aantonen van de consistentie van het Standaardmodel(‘t Hooft en Veltman, 1973) en de ontdekking van de W- en Z-deeltjes (1983/4)Nobelprijzen in 1984 en 1999... het wachten is op 9 oktober
13
Robert Brout ✝ François Englert Peter Higgs
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Technieken
14
E = mc2 + Ekin
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
TechniekenHet Higgsdeeltje leeft zeer kort (τ ≈ 10-22 s) dus hoe het te ontdekken?
14
E = mc2 + Ekin
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
TechniekenHet Higgsdeeltje leeft zeer kort (τ ≈ 10-22 s) dus hoe het te ontdekken?
botsingen: converteer kinetische energie naar massa
vervalsprocessen: reconstrueerde massa van het vervallende deeltje (als alle vervalsproductengemeten worden)
14
[MeV]-p m1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200
Entri
es /
1 M
eV
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Invariant Mass
=900 GeV)sMinimum Bias Stream, Data 2009 (
> 100 MeV, Si hits > 6TBoth tracks: p) > 0.8, flight distance > 0.2 mmcos(
DataSimulation
Gauss (+poly) fit 0.1 (stat) MeV± = 1116.0 µ 0.1 (stat) MeV± = 3.2
0.006 MeV± =1115.683 PDG (2009) m
ATLAS Preliminary
mΛ
(niet het Higgsdeeltje...)
E = mc2 + Ekin
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
De Large Hadron Collider
27 km omtrek, 2 protonbundels metE = 4 TeV (v/c ≈ 0,9999997) ➠ 7 TeV
hoge energie ➠ sterk magneetveld(tot 8.5 Tesla)
superfluïde (T = 1,9 K)
15
ATLAS
CMS
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
De LHC: een succes!
16
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
De LHC: een succes!
16
Month in YearJan Apr Jul Oct
]-1D
eliv
ered
Lum
inos
ity [f
b
02468
10121416182022
= 7 TeVs2010 pp = 7 TeVs2011 pp = 8 TeVs2012 pp
ATLAS Online Luminosity
In 2 jaar meer botsingendan in 10 jaar bij de vorigeversneller
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS
17
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS
17
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Botsingen in de LHC/ATLAS100 miljard protonen per pakketje van 30 μm dik, 10 cm lang
iedere 8 meter een pakketje
Tot 40 miljoen “foto’s”per seconde!
~ 100 miljoen “pixels” per foto
18
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
De uitdagingInteracties bij de LHC worden gedomineerd door de sterke wisselwerking
waarschijnlijkheid om Higgsdeeltjes te maken is ~ 10 miljard keer kleiner➠ onderdrukken van achtergrondenis de kunst
19
ECM (TeV)Meer details in de volgende lezing
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
Beschikbare informatie
Massa van het Higgsdeeltje is a priori onbekendalle andere eigenschappen bekend voor gegeven massa➠ we weten “precies” waarnaar we moeten zoeken!
20
80.3
80.4
80.5
150 175 200
mH [GeV]114 300 1000
mt [GeV]m
W [
GeV
]
68% CL
!"
LEP1 and SLDLEP2 and Tevatron (prel.)
August 2009
1
10
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
1
10
mH(GeV/c2)
95%
CL
Lim
it/SM
Tevatron Run II Preliminary, L 8.6 fb-1
ExpectedObserved±1 Expected±2 Expected
LEP Exclusion TevatronExclusion
SM=1
Tevatron Exclusion July 17, 2011
directe zoektochten bij eerdere versnellers
indirecte aanwijzingen vanprecisiemetingen
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
4 juli
21
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
4 juli
21
Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012
VervolgSommige eigenschappen zijn meteen bekend!
bijvoorbeeld massa: mH ≈ 126 GeV/c2
Maar nog te bepalen:
koppelingssterktes aan andere deeltjes (kunnen subtiel verschillen inuitbreidingen van het Standaardmodel)
andere eigenschappen
En dan gerichter verder zoeken naardie uitbreidingen!
donkere materie & energie➠ zie lezing later vanmiddag
zwaartekracht
waar is de antimaterie?➠ zie lezing later vanmiddag
22