RAADSELS VAN DE NATUURKUNDE Ronald Westra Dep. Mathematics

1. RAADSELS VAN DE NATUURKUNDE Ronald Westra Dep. Mathematics Maastricht UniversityOktober 20, 2005

2. NU BESCHIKBAAR: alle lectures op: http://www.math.unimaas.nl/personal/ronaldw/home1.htm

3. Deel 5 Het Standaard Model

4. CPART V IInhoud

5. Relativiteitstheorie is ongeveer het werk van een man Albert Einstein, 21-2-1955

6. Quantum Mechanika heeft al vele vaders en een moeder

7. Modern Natuurkundig Onderzoek telt duizenden onderzoekers …

8. 1900 ? 1910 1920 1930 Voorspelling positron 1940 ? Theorie Experiment fotoelectrisch effect UV catastrofe Planck, Einstein: quantum Bohr, de Broglie : 1ste QM Verklaring spectra, etc, etc, etc, … Schrodinger , Pauli, Heisenberg: 2de QM Dirac, Fermi, Bose, Einstein: veeldeeltjes- QM+Q veldentheorie ontdekking neutron, neutrono, positron, muon, …

10. VEEL-DEELTJES QUANTUM MECHANIKA EN QUANTUM-VELDENTHEORIEEN (QFT)

12. Quantum theorie van veeldeeltjes systemen

13. Quantum theorie van veeldeeltjes systemen

14. Quantum theorie van veeldeeltjes systemen Quantum-veldentheorie

16. Net zoals de vergelijking: x2=4twee verschillende oplossingen toe staat: (x=2 of x=-2), zo staat ook Dirac's vergelijking twee verschillende oplossingen toe; eentje voor het normale elektron met positieve energie, en eentje voor een ‘elektron’ met negatieve energie. Dirac gaf hier een veel ruimere betekenis aan: voor elk deeltje bestaat er een overeenkomstig deeltje, geheel identiek maar met tegengestelde lading. Voor het elektron is dit "antielektron" het positron in alle opzichten identiek, alleen met een positieve electrische lading.

19. Quantum Veldentheorie

20. ANTIMATERIE

21. Geschiedenis van de Antimaterie 1928 Dirac introduceert ‘antimaterie’ 1932 antielectronen (positronen) gevonden in de omzetting van energie in materie 1995 anti-waterstof bestaande uit antiprotonen en positronen gemaakt in CERN In principe kan een antiwereld gebouwd worden van antimaterie In werkelijkheid wordt antimaterie alleen geproduceerd in versnellers en kosmische straling

22. Paar-productie Als bosonen vervallen in deeltjes worden gelijke hoeveelheden materie en antimaterie gevormd (?)

23. Annihilatie Antimaterie bestaat niet in de vrije natuur (?) Het zal direct annihileren met materie en energie vormen …

24. DE ELEMENTAIRE DEELTJES JUNGLE

25. Vragen in de Deeltjes-fysica :

26. DE QUEESTE NAAR HET ELEMENTAIRE DEELTJE • Oude Grieken: • aarde, lucht, vuur, water • 1900, ongeveer 100 chemische elementen • 1936, terug naar drie elementaire deeltjes:proton, neutron, electron

27. De explosie van ‘elementaire’ deeltjes in de periode 1936 - 1961

28. History of Constituents of Matter AD

29. Ancient times People think that earth, air, fire, and water are the fundamental elements. 1802 Dalton’s Atomic theory began forming. 1897 J. J. Thompson discovered the electron. 1911 Rutherford discovered positive nucleus. 1930 Pauli invented the neutrino particle. 1932 James Chadwick discovered the neutron. 1937 The muon was discovered by J. C. Street and E. C. Stevenson. 1956 First discovery of the neutrino by an experiment: the electron neutrino. 1962 Discovery of an other type of neutrino: the muon neutrino. 1969 Friedman, Kendall, and Taylor found the first evidence of quarks. 1974 The charmed quark was observed. 1976 The tau lepton was discovered at SPEAR. 1977 Experimenters found proof of the bottom quark. 1983 Carlo Rubbia and Simon Van der Meer discovered the W and Z bosons. 1991 LEP experiments show that there are only three light neutrinos. 1995 The top quark was found at Fermilab. 1998 Neutrino oscillations may have been seen in LSND and Super-Kamiokande. 2000 The tau neutrino was observed at Fermilab. 2003 A Five-Quark State has been discovered Historisch overzicht …

30. S0 po L+ D- Do K- D+ W- p- p p+ D++ K0 K+ De “Deeltjes Zoo !”

31. Wanneer is een deeltje “elementair”? • Een deeltje is elementair als het geen inwendige structuur heeft – dus niet is opgebouwd uit kleinere deeltjes …

32. 2. Welke deeltjes werden ooit als ‘elementair’ beschouwd? • Oudheid : Vier elementen. Vruchteloze poging naar een atomistische theorie in de vijfde eeuw voor jaartelling (Demokritos). • 18de eeuw : Lavoisier en Dalton valideren experimenteel de (chemische) atoom structuur. • 1868 : Mendelejev stelt het “Periodiek Systeem der Elementen” voor, dat toen 63 atomen bevatte. De “lege vakjes” werden gauw gevuld. In 1896, waren er al 77 elementen ontdekt, die allen als ‘elementair’ golden. • 1897 : Ontdekking van het eerste subatomaire deeltje door J.J Thompson : het elektron. Meteen begint de speurtocht naar een positief-geladen tegenhanger … • 1911 : Rutherford ontdekt de atoomkern. Transmutatie-reacties tonen aan dat de waterstof-kern een belangrijke rol speelt (42He + 147N →189F →178O + 11p) . Rutherford noemt het proton (protos = eerste)

33. 1932 : Chadwick ontdekt het neutron, dat geisoleerd niet stabiel blijkt te zijn : n  p + e- (+ ¯νe). Het trio {proton, elektron, neutron} bepaalt de atomaire strukturen van alle elementen in het Heelal. Dit was de “simpelste” elementaire deeltjes-verzameling ooit. Een klein aantal deeltjes en een klein aantal interacties. LEPTON (leptos = licht) : e- BARYONS (baryos = zwaar) : p , n

34. Echter, er waren meteen al enkele problemen ; 1. Hetphoton: Photoelectrisch effect ; Compton verstrooiing. 2. Anti-deeltjes : De ontdekking van hetpositrondoor Anderson (1932) in kosmische straling. Nog veel meer elementaire deeltjes zouden ontdekt in kosmische straling worden … 3.Mesonen: Deze deeltjes werden eerst voorspeld door Yukawa (1935) vanwege de sterke kracht die de atoom-kern bijeen houdt. Omdat ze van middelbare massa waren werden ze mesonen gedoopt (mesos = midden). 4.Neutrinos: Noodzakelijk om de energie te behouden bij het van β verval (= elektron-verval)

35. Het muon vervalt in een β-deeltje (= electron) als: μ + νμ → e- +¯νe • Van de deeltjes tuin naar de deeltjes jungle: In 1937 ontdekte Anderson hetmuonμ. Het μ bleek een soort zwaar electron (lepton) te zijn. I.I Rabi, Nobel 1944 In 1947 werden pionen (mesonen) ontdekt in cosmische straling. Men dacht dat het de ‘dragers’ van de ‘sterke wisselwerking’ waren die de Japanner Yukawa’s had voorspeld. Het heelal leek weer in orde – behalve dan het muon – maar dat speelde toch geen zichtbare rol. MAAR: eind 1947 werden weer nieuwe mesonen gevonden : de kaons. Zo werd het toch weer druk in de deeltjestuin… In de 50’er jaren werden met de nieuwe deeltjesversnellers vele nieuwe deeltjes gevonden. Sommige daarvan waren ‘raar’ (= strange) omdat ze ontstonden uit de sterke wisselwerking, maar vevielen via de zwakker wiselwerking.

36. Nog erger: er ontbrak inzicht waarom sommige verval-pocessen wel en andere niet mogelijk waren : • Waarom is π- + p+ K+ + Σ- wel mogelijk , • en π- + p+ K0 + n niet ? • In 1953, kwamen Gell-Mann en Nishijima met een simpel en elegant idee. Elk deeltje heeft een zekere «strangeness » (vreemdheid), en de totale strangeness in een botsing is behouden (net als energie en impuls). • Dit gaf DRIE behoudswetten voor deeltjes-identiteit in interacties : • Lading • Baryon getal (proton-achtige deeltjes) • ‘Strangeness’

37. Toch waren er in 1960 al tientallen “elementaire deeltjes”, en wel pion-achtig (mesonen) of proton-achtig (baryons). Baryonen zijn gevoelig voor de sterke wisselwerking, maar mesonen niet. Elk type kan strange of niet-strange zijn. • In 1955, Willis Lamb bij aanvaarding van zijn Nobelprijs: “maybe physicists discovering a new particle ought to be fined 10 000$”

38. Er was een grote behoefte aan vereenvoudiging. • In 1961 bracht Murray Gell Mann deze vereenvoudiging aan. • Hij deed daarmee net als Mendelejev honderd jaar eerder. • Het ‘Periodieke Systeem’ van Gell Mann is bekend als …

39. THE EIGHTFOLD WAY (1961) DE ACHTVOUDIGE WEG

40. HET QUARK MODEL

41. De 8-voudige weg: Het Baryon Octet n p S=0 Σ- Σ+ S=-1 Σ0 ; Λ Q=1 S=-2 Ξ- Ξ0 Q=0 Q=-1

42. De 8-voudige weg: Het Meson Octet K0 K+ S=1 Π- π+ S= 0 π0 ; η Q=1 S= 1 K- ¯K0 Q=0 Q=-1

43. Het Quark Model (1964) S=1 ¯s Q=2/3 Q=-1/3 d u S=0 ¯u ¯d Q=-1/3 Q=-2/3 S=-1 s

44. De oorsprong van het woord Quark James Joyce Three Quarks for Muster Mark Murray Gell-Mann

45. Quarkszijn de fundamentele bouwstenen vanbaryonenenmesonen.

46. De zes types quarks: twee soorten in drie generaties

48. Hadronen, Baryonen, Mesonen Een hadron is geen elementair deeltje maar bestaat uit quarks en antiquarks en gluonen. Het gluon draagt de kleur-kracht de de quarks samen houdt Gewone quantum getallen: spin, pariteit, C-pariteit, massa. Flavour quantum getallen: isospin, strangeness, etc. Hadrons bestaan in twee klassen: Baryons zijn fermion. met baryon getal B=1 proton, neutron), Mesons zijn bosonen met B=0.

49. Quantum chromodynamika

50. Quark Hypothese • Mesonen zijn gebonden quark-antiquark states : π+ is u-d. • Baryonen zijn gebonden states van drie quarks: p is uud. • Het quarks-model werd bevestigd door de ontdekking in 1964 van het Ω- sss baryon met strangeness -3. • Het bestaan van quarks als deeltjes is experimenteel bevestigd door Rutherford-achtigeexperimenten bij SLAC in 1968 (Friedman, Kendall, Taylor). • Samen met de leptonen en de ‘vector-bosonen’ (=lijmdeeltjes) zijn de quarks de ‘elementaire’ deeltjes van vandaag.