Materie antimaterie en donkere materie Zoektocht naar de

Materie, anti-materie en donkere materie Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur Niels Tuning (Nikhef)

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Machten van tien … Heelal 1026 m Mens 100 m Melkweg 1021 m Atoom 10 -10 m Zonnestelsel 1013 m Kern 10 -15 m Aarde 107 m Botsingen 10 -18 m

Reis naar het allerkleinste…

Machten van tien … Heelal 1026 m Mens 100 m Melkweg 1021 m Atoom 10 -10 m Zonnestelsel 1013 m Kern 10 -15 m Aarde 107 m Botsingen 10 -18 m

Astronomie Deeltjes fysica

Elementaire deeltjes fysica Vragen die de mensheid al 2000 jaar bezighouden: Ø Wat zijn de bouwstenen van de materie ? Ø Welke krachten werken op deze bouwstenen ? 400 v. Chr. Demokritos atoom 1687 Newton krachten 1864 Maxwell electromagnetisme 1905 Einstein van alles…

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de Natuur

Waar bestaat heelal uit?

Waar bestaat heelal uit?

Waar bestaat heelal uit? 0% ANTI MATTER Slechts 4% is normale materie…

Wat snappen we niet? Wat is de donkere materie ? 0% ANTI MATTER Waar is de anti materie ?

Wat snappen we al helemaal niet? ? 0% ANTI MATTER Donkere energie? ?

Donkere energie… 0% ANTI MATTER Zorgt dat heelal versneld uitdijt! “the biggest blunder I ever made in my life” kosmologische constante van Einstein (en dus voor altijd? !) Pas 10 jaar bekend! § 1998: supernova’s verder weg dan hun ouderdom (helderheid) doet vermoeden § 2003: achtergrondstraling: samenspel van materie en donkere energie bepaalt klontering van heelal

Het menu komende half uur: II. Wat is de donkere materie ? I. Waar is de anti materie ? 0% ANTI MATTER Materie I. Anti-materie II. Donkere materie (snappen we) (snappen we, maar is weg? ? ) (hebben we ideeen over…)

De stand van zaken in november 2010 http: // pdg. lbl. gov

De elementaire deeltjes up down up up Proton down elektron up down Neutron

Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen? periodiek systeem van Mendeleev Alles! Ook Middelburg

De elementaire deeltjes leptons quarks Niet één serie, maar drie! I II III Lading u c t +2/3 e d e (1895) ne (1956) (1976) (1995) s b (1947) (1978) m t -1 e nm nt 0 e (1963) (2000) (1936) -1/3 e (1973) Materie

Is dit alles? leptons quarks Generatie: I II III Lading u c t +2/3 e d e (1895) ne (1956) (1976) (1995) s b (1947) (1978) m t -1 e nm nt 0 e (1963) (2000) (1936) -1/3 e (1973) 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 ! (iγμ∂μ-m)ψ=0 Anti-materie deeltje: • Zelfde massa • Tegenovergestelde lading

leptons quarks De elementaire deeltjes I II III Lading u c t +2/3 e d e (1895) ne (1956) (1976) (1995) s b (1947) (1978) m t -1 e nm nt 0 e (1963) (2000) (1936) -1/3 e (1973) Materie

leptons quarks De elementaire deeltjes I II III 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 -1 e +1 e e m t d e (1895) ne (1956) (1976) (1995) s b (1947) (1978) m t (1936) (1973) nm nt (1963) (2000) Materie (1932) 0 e 0 e ne nm nt Anti-materie

Hoe maak je anti-materie? ? Albert Einstein: E=mc 2 materie + antimaterie = licht ! (en vice versa) e+ e-

Anti-materie in ziekenhuizen: de PET-scan + ee

Wat snappen we nog niet:

Wat snappen we nog niet? II. Wat is de donkere materie ? I. Waar is de anti materie ? 0% ANTI MATTER Materie I. Anti-materie II. Donkere materie (snappen we) (snappen we, maar is weg? ? ) (hebben we ideeen over…)

I. “Anti-materie” Waar is de anti-materie gebleven? Geen anti-materie met satellieten Geen anti-materie sterrenstelsels

II. “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!

II. “Donkere materie” Temperatuurfluctuaties structuur van het heelal 400, 000 jaar na oeknal werd heelal doorzichtig De “klontering” zegt iets over zwaartekracht en dus over massa

Oudste foto: 380. 000 jaar na de Big Bang

II. “Donkere materie” Rotatie-curves Snelheid (km/s) Rotatie-snelheid sterren data R-0. 5 Afstand tot centrum stelsel (kpc)

II. “Donkere materie” Botsende melkwegstelsels Gravitationele lens Normale materie is “afgeremd”: te zien met X-rays Donkere materie is “doorgeschoten”: te zien met gravit. lens

Wat snappen we niet? Anti-materie? ? (waar is het gebleven) Donkere materie? ? (wat klonterde de sterrenstelsels)

Astronomie Deeltjes fysica

Kijken zonder je ogen te gebruiken

Botsingen van Deeltjes Niels Tuning Open Dag 2008

I. Hoe onderzoeken we anti-materie: Detector

I. Hoe onderzoeken we anti-materie ↔ anti-materie b s s b

II. Hoe ontdek je donkere materie: Detector

II. Hoe ontdek je donkere materie? quark Simulatie top quark productie quark proton elektron proton neutrino quark

II. Hoe ontdek je donkere materie? Maak nieuwe deeltjes met energie! Nieuw ? Normaal muon E=mc 2 ? geen balans

Einde Wat is de donkere materie ? Waar is de anti materie ? 0% ANTI MATTER 1) Materie 2) Anti-materie 3) Donkere materie (snappen we) (snappen we, maar is weg? ? ) (hebben we ideeen over…)

EINDE

Backup slides

Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek – Kan leiden tot verrassingen, • Soms zelfs nuttig… • Maar per definitie van te voren onbekend “Oneindig veel toegepast onderzoek aan de kaars zou ons nooit het electrische licht hebben gebracht. ”

Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek – Kan leiden tot verrassingen, • Soms zelfs nuttig… • Maar per definitie van te voren onbekend 1947 “Quantum mechanica en begrip van atomen cruciaal voor transitors. ” 2009

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 10 km/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) PET scan www

Wat is het nut van dit onderzoek? Veel mensen zijn gewoonweg nieuwsgierig Hoort bij de mens – wat is het nut van kunst? religie?

Wat is het nut van dit onderzoek? Duur? ? Mwah. – Totale kosten: 6 miljard – Kosten voor NL: 50 miljoen / jaar – Ter vergelijk, zie begroting Ministerie v. OCW: Cern 31 miljoen ESA 32 miljoen Genomics 36 miljoen Kon. Bibliotheek 45 miljoen TNO 192 miljoen Stichting AAP 10 miljoen Monumentenzorg 70 miljoen Film 20 miljoen Archeologie 10 miljoen (Topsport: 28 miljoen)

Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie” Versnellers Meetapparatuur Kennis van deeltjes 1954: 1 ste patient 1997: 22. 000 patienten Nu: 51. 000 patienten

Voorbeeld van spin-off: “hadron therapie” Before treatment 6 Weeks after carbon treatment with a dose of 60 Gye D. Schulz-Ertner et al.

Carbon en Proton Therapie in Europa HIT – Heidelberg Ion beam Therapy operational protons under construction protons and ions planned

Voorbeeld van spin-off: www 1989: Tim Berners Lee proposed “html” and “World. Wide. Web” 1992: 1 ste website in NL: http: //nic. nikhef. nl 1993 : www in the public domain

Wat verwacht je ? Al 30 jaar bestaan er precieze wiskundige voorspellingen!

Meten van complexe getallen! We meten quark koppelingen Er is een complexe phase in de koppelingen eiφ e-iφ matter anti-matter Meetbaar als er Γ( B f) = |A 1+A 2 ei(φ+δ)|2 Γ( B f) = |A 1+A 2 ei(-φ+δ)|2 Bewijs van bestaan van complexe getallen… 2 amplitudes een rol spelen:

Verschil materie, anti-materie: Nobelprijs 2008 Nobelprijs voor Kobayashi & Maskawa • KM voorspelden in 1972 de 3 de generatie quarks om kleine verschillen in materie en antimaterie te verklaren “Box” diagram: ΔB=2 b s s b “Penguin” diagram: ΔB=1 b s μ μ Toshihide Maskawa Makoto Kobayashi

Wat snappen we niet? Anti-materie? ? (waar is het gebleven) Donkere materie? ? (wat klonterde de sterrenstelsels)