Studying the fundamental structure of matter

Ming‐chung Chu 朱明中Hoi Tik Alvin Leung 梁凱迪

Department of Physics, The Chinese University of Hong Kong

1

Hong Kong Science Museum Jan 16, 2016

Structure of matter

2https://www.youtube.com/watch?v=bhofN1xX6u0

From the elementary particles (R

3

Searching for the fundamental structure of matterWhat’s inside?

image by Cliparts.co

until the atoms are found

image by AIP

for the ultimate ‘atom’ and the rules that govern the structures

could be a mess ...

image by Cliparts.co

Image credit: ETH Zurich, Institute for Particle Physics.

and we keep looking ...

Standard Model of Particle Physics

4

• All matter are composed of elementary particles: quarks and leptons (structureless, R

5

Probing the structures of matter

image by Cliparts.co

3 ideas:

2. scattering散射: send interactive particles in and see how they are deflected eg. X‐ray

3. collisions 撞擊: break it up!

image by Cliparts.co image by Cliparts.co

1. emission 放射: measure what comes out

image by Cliparts.co

Image by CERN

Image by Gael du Plessix

Studying the fundamental structure of matter

• I. Neutrino astrophysics• II. Gravitational wave astrophysics• III. Electron microscopy• IV. Crystallography• V. High energy particle collisions at LHC

6

I. Neutrino Astrophysics

7

• Elementary particles• 3 types﹕• No electric charge• Interact only via weak and gravity forces• Finite but tiny masses (m

9

Solar Neutrinos

Earth: 4x1011 e/s/cm2

1016 e passes through your body every s!

~ 2x1038 e/s!

Stars turn matter into neutrinos and photons       (m E). Neutrinos penetrate the entire star, but not the photons.

ee 22HeH44

Signals from the solar core!

Fusion energy from the sun:

e

“for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass"

Nobel Prize in Physics 2015http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/

10

Arthur B. McDonald

Photo: K. MacFarlane. Queen's University /SNOLAB

Takaaki KajitaPhoto © Takaaki Kajita

SNO

http://snoplus.phy.queensu.ca/Home.html

Super Kamiokande (SK)

http://www‐sk.icrr.u‐tokyo.ac.jp/sk/index‐e.html

梶田隆章

Solar neutrinos measured well by neutrino observatory, agree with solar theory

http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos

Supernova neutrinos

Animation by STScI/NASA

11

超新星 Supernova

‐Massive stars (M > 3Mo) die as supernovae‐ As bright as 109 ‐1010 x Sun. Releases 1046 J ~ 1012 yr of solar 

energy in days; T ~ 1011 K! Produce ~1058 ’s in seconds.

‐ ~10% rest mass of the star → neutrinos‐ > 90% energy carried away by neutrinos 

‐ Supernova neutrinos: observed, new tool?

http://www‐sk.icrr.u‐tokyo.ac.jp/doc/sk/index.htmlhttp://cupp.oulu.fi/neutrino/nd‐sn.html

Supernova neutrinos

Superkamiokande and IMB detected neutrinos from SN1987A

12

@Anglo‐Australian Observatory

SN1987A Neutrino signals can help to study explosion mechanism

Daya Bay Neutrino Experiment

13Far Hall: 4 x 80 ton‐detectors Daya Bay Near Hall: 2 x 80 ton‐detectors

We are ready: Supernova Early Warning Network

Primordial neutrinos

Figure courtesy NASA/WMAP

Hot, dense cold

14

13.8 billion years

Cosmological neutrinos

~ 300/cm3 Big Bang neutrinos everywhere, signals from first seconds of Big Bang

II. Gravitational Astrophysics

15

Gravitational Waves

• Einstein: matter/energy deforms space‐time→ space‐time = deformable medium可變形介質

• Ma er accelera on → waves in space‐time • = gravitational waves (重力波)• Predicted by Einstein’s General Relativity 100 years ago• Travels at speed of light• Displaces space‐time  positions ofmatter

Wave motion in a string

A 2‐d analogy of Einstein’s space‐time16

‘Space‐time tells matter how to move; matter tells space‐time how to curve.’ – J. Wheeler

2 modes as seen by test masses

Gravitational wave sources

• Violent motions of strong gravitational sources• black holes黑洞、neutron stars中子星 oscillations 振盪, 

mergers 結合• Supernovae 超新星• Big Bang                 • But: very weak signals• Eg.: orbiting of 2 neutron stars        2 million light years away → 

gravitational wave amplitude             ~ 10‐18m

17

2 10‐Mo black holes merging

18

Gravitational wave observation –what can we learn?

Strong‐field tests of General Relativity

Nature of Black Holes

Physics of dense matter inside neutron stars

How supernovae explodeAdapted from Prof. Tjonnie Li’s talk

LIGO

19

Otto Lau at LIGO Hanford

Prof. Tjonnie Li   黎冠峰

20

Ken

III. Electron microscopy

21

Some physical properties of wavesReflection Refraction

Interference Diffraction

22

Photo credit: Todd Allen Photo credit: Crok Photography

Photo credit: Rolf Muller Photo credit: Thirteensteps13, flickr

Optical microscope uses light waves!

• Visible lights are used.• Optical lenses are used to refocus 

the light. 

23

Photo credit: Nikon

We commonly use optical microscopes to view biological samples.

24

… but can we see individual atoms with optical microscopes directly?

25Image credit: ETH Zurich, Institute for Particle Physics.

Unfortunately not……because diffraction and interference come into play. 

26Photo source: http://zeiss‐campus.magnet.fsu.edu/articles/basics/resolution.htmlhttp://www.cambridgeincolour.com/tutorials/diffraction‐photography.htm

Unfortunately not……because diffraction and interference come into play.  

Large Aperture

Light bends when passes through a small opening (aperture)

Small Aperture

Photo source: http://zeiss‐campus.magnet.fsu.edu/articles/basics/resolution.htmlhttp://www.cambridgeincolour.com/tutorials/diffraction‐photography.htm

27

d d dWhat you put on a microscope slide

What you see through 

the lens in a microscope

The two objects are resolved

The two objects are still resolved

The two objects are NOT resolved

28

Unfortunately not……because diffraction and interference come into play.  

Photo credit: Spencer Bliven

The resolution of a microscope is limited by the wavelength used

d d dWhat you put on a microscope slide

The two objects are resolved

The two objects are still resolved

The two objects are NOT resolved

Resolution of a microscope:

29

What you see through 

the lens in a microscope

Photo credit: Spencer Bliven

Wave‐particle duality• In 1924, de Broglie proposed that any moving 

particle or object had an associated wave. • The de Broglie wavelength λ of a particle with a 

momentum p is given by:

• Electrons, protons and neutrons also exhibit wave properties!

where h is called the Planck constant. h has a value of 4.1 x 10‐15 eVs

30

Photo credit: Encyclopædia Britannica, Inc

What is the wavelength of a 1 keVelectron? 

31

Electron microscopes

• In 1931, Max Knoll and Ernst Ruska built the first electron microscope.

• In late 1930, electron microscopes with theoretical resolutions of 10 nm were being designed and produced.

• The best resolution achieved to date is 0.05 nm.

32

Photo credits: the Ernst Ruska Archive

Electron microscopesSimplified version of scanning electron microscope (SEM) 

Simplified version of transmission electron microscope (TEM) 

33

Pictures from http://www.britannica.com/technology/transmission‐electron‐microscopehttp://www.britannica.com/technology/scanning‐electron‐microscope 

(‐ve terminal) 

(+ve terminal) 

(+ve terminal) 

(‐ve terminal) 

Comparison of TEM and SEM

Transmission EM Scanning EM

Detection of electrons Based on transmitted electrons

Based on scattered electrons

Accelerating voltage higher lower

Resolution  0.2 nm 10 nm

Sample preparation Thin slide Can be thicker

Electron beam Can be broader Need to focus to a fine point

34

Application of electron microscopes in Chemistry and Biology

Influenza virus particle

Photo Credit: Cynthia Goldsmith, Centers for Disease Control and Prevention

Scanning electron micrograph of HIV‐1 budding from cultured lymphocyte

Photo Credit: Cynthia Goldsmith, Centers for Disease Control and Prevention

Atomic resolution EM image of nanoscale precipitates in an Al‐Cu‐Li‐Mg‐Ag aerospace alloy.

35

SuperSTEMimage of the novel nano‐iron Supplement (ferrihydrite)

Powell et al., Nanomedicine 2014 

Oct;10(7):1529‐38.

Photo Credit: M. Weyland, Monash university

36

.

Question: What is this?

Answer: this is the famous “Photograph 51” , a x‐ray crystallography diffraction pattern of DNA

37

.

IV. Crystallography

38

How does crystallography work?• Crystallography is a common technique to determine the 

arrangement of atoms in the crystalline solids.• You need a crystal (a solid material whose constituents are 

arranged in a highly ordered microscopic structure)

• AND a wave source

39Photo source: http://www.atomsinmotion.com/book/chapter4/salts

-x-ray (x-ray diffraction), most commonly used -Electron wave (electron diffraction)-Neutron wave (neutron diffraction

40

Crystallography was used to solve many problems in the last century!

Structure of Hemoglobin by x-ray diffraction

Hexamethylbenzene

Photo source: http://www.differencebetween.info/difference‐between‐blood‐and‐haemoglobin

Bragg spectrometer

41

Diffraction pattern

Picture source: http://hyperphysics.phy‐astr.gsu.edu/hbase/quantum/bragg.htmlhttp://education.mrsec.wisc.edu/supplies/DNA_OTK/

Diffraction grating pattern

42Photo source: http://physics‐animations.com/Physics/English/DG10/DG.htmhttp://www.physicsoftheuniverse.com/images/quantum_double_slit_photon.jpg

Diffraction grating pattern

43Photo source: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/diffraction/diffraction3.php

Diffraction Demonstration

44

Image credit: University of Wisconsin‐Madison

Diffraction grating 1

Diffraction grating 2

Diffraction grating 3

Bragg’s law

45

ϴ ϴ

d

d sin Ѳ

Path A

Path B

Determination of structure from diffraction patterns

46

Measure diffraction pattern for different

values of Ѳ

Fourier transform

(Mathematical operation)

Molecular structure

Comparison between x‐ray, electron and neutron diffraction

47

X‐ray diffraction Electron diffraction Neutron diffraction

Interact with electron cloud

Interact with the electron clouds and 

protons

Highly penetrating

Interact with heavy elements as they 

have larger electron cloud

Scatter strongly by matter

Scatter from both light and heavy 

atoms, differentiate between different 

isotopes

Smaller amount of sample

Even smaller amountof sample

Larger amount of sample

Lower cost Medium cost High cost (Require nuclear 

reactors/particle accelerator to 

generate neutrons)

Take‐home message

48

Electron microscopeOptical microscope

Electron diffractionNeutron diffraction

Electron microscope

VI. High energy particle collisions at LHC

49

Protons accelerated to v = 99.999999% c (6.5 TeV)

http://lhc‐machine‐outreach.web.cern.ch/lhc‐machine‐outreach/

Large Hadron Collider (LHC)CERN: largest fundamental physics lab. LHC: most powerful accelerator in the world

LHC: US$8.75 billion 

High energy collisions: recreate conditions at early universe, produce hidden particles, look for fundamental constituents of matter

50

Why high energy collisions?

51

‐ Recreate conditions at early universe (the Big Bang): evolution of the universe/physics from high T/E to low T/E

‐ Probe deeper into structure of matter: look for fundamental constituents

‐ Provide enough energy to create  massive     but hidden particles (eg. Dark matter)

Figure courtesy NASA/WMAP

t

Higher energy  further back in time

Higher energy  deeper in space

Credit: CERN

The ATLAS Experiment

http://www.atlas.ch/photos/full‐detector.html#52

Cost: 550M Swiss Francs

44m

25m

The ATLAS Detector

37 m

Water Tow

er, N

ew Asia

 College

53

ATLAS detector

Fig. by CERN

ATLAS Collaboration

54

~ 3,000 scientists,

38 countries/regions, 

174 institutions

06/14 +3: CUHK, HKU, HKUST

177

39

55

LHC Run II

03/06/2015http://www.atlas.ch/LHC‐and‐ATLAS‐Restart/

CERN control room

ATLAS control room

Photos/animation by CERN

56Fig. by CERN

13 TeV proton collisions

Elementary particles基本粒子

57Figure from Wikimedia

Carrier of Electromagnetic force

Carriers of weak force

Carrier of strong force

Why are the masses so different?

Why are  and gmassless while Wand Zmassive?

Gauge bosons

What’s the origin of these masses?

Masses of elementary particles

58

‐ Sizes of atoms (everything) determined by meR 1/meEg. If me halved, everything doubles in size

‐ binding energy of electrons in atoms me If me reduced, atoms can be ionized much easier, becomes relatively unstable

‐ Range of force  1/mass of gauge bosonEg.: EM force carried by photons (m = 0)  range = Weak force by W, Z; mW, mZ >> mp range 

Mass

E = mc2 mass includes kinetic energy (KE) and interaction energy

59

m m

M1 = 2m

v=0

Even if m = 0, M2 , M4 > 0 Eg. Proton mass mp ~ 1 GeV/c2:Masses of u, d quarks mq (a few MeV/c2) 

Lattice potential ~ Higgs field

Higgs Field 希格斯場

60

vacuum真空 = filled with Higgs field = medium介質

Spontaneous Symmetry Breaking自發對稱性破缺

Elementary particles acquire masses

e‐

+++

+

effective mass for e‐

Excited states of Higgs field = Higgs particles

Vacuum = lowest energy state, could be full of particles/energy

Eg.: the effective mass of electron in a crystal

Particle mass: interaction energy mass  (E = mc2)

Higgs mechanism: interaction with medium → mass

Different interactions with the medium → different masses

61

Higgs = 5th force!

weak force

matter

EM strong

Higgs Field

Animation from CERN

Higgs opens a new window to study elementary particle physics!

Precision measurement of Higgs properties constrain/discover physics beyond Standard ModelHong Kong team: significant contributions to measuring Higgs couplings, mass, spin and parity. 

Other searches in LHC

• Super Symmetry (boson‐fermion) 超對稱 (Samuel + Wolf + others)• Other Higgs particles, non‐standard Higgs coupling (Haonan + Sze 

Ning + Flora + Tak + others)• Other gauge bosons (Terry + Ka Wa + others) • Quantum black holes (Zihui + Terry + Ka Wa + others)• Dark matter particles 暗物質• ….

62

Any discovery will revolutionize our understanding of elementary particles and the universe!

Simulated decay of a mini black hole in LHC

Mini black holes?

63

Extra dimensions (多餘維度)

Why is gravity so weak？ gravity/EM ~10‐38unnatural！

Brane Model (膜世界理論): only gravity can propagate to extra spatial dimensions

If gravity = EM， LHC may produce 1 mini black hole per second with R ~10‐19m!

Dimopoulos + Landsberg (2001):

64

If r < a, G →Go: gravity becomes strong!

No. of spatial dimensions n → F 1/rn-1 spread uniformly over the surface of a sphere with radius r

-m1m2Go/rn-1-m1m2(Go/an-3)/r2 (r > a)

(r < a)F = small effective G

G

If true, very important for quantum gravity!

HK ATLAS team

65

‐ 2‐4 undergrads + several grad students/yr‐ 2015: 20 members/alumni at CERN

‐ Supported by a RGC CRF (HK$8.661M, ’14 ‐’17)

ATLAS detector

06/14

05/14

Part of HK team, 2015

Studying the fundamental structure of matter

• I. Neutrino astrophysics• II. Gravitational wave astrophysics• III. Electron microscopy• IV. Crystallography• V. High energy particle collisions at LHC

66

Studying the fundamental structure of matter

Ming‐chung Chu 朱明中Hoi Tik Alvin Leung 梁凱迪

Department of Physics, The Chinese University of Hong Kong

67

Hong Kong Science Museum Jan 16, 2016