Nationaal instituut voor subatomaire fysica Ivo van Vulpen

Jullie interactie met Nikhef tot nu toe 1) In de media: afgelopen week i. v. m start-up LHC 2) Als IHEF docent (in order of appearance): Stan Bentvelsen Marcel Vreeswijk Auke-Pieter Colijn Ivo van Vulpen Paul Kooijman Justus Koch Els de Wolf Wouter Verkerke Eric Laenen relativiteitstheorie bachelorcoordinator electromagnetisme & numnat deeltjes fysica I deeltjesfysica I of II deeltjesfyscia II mastercoordinator honours program theorie

Nikhef: “coordinatie (astro-)deeltjesfysica onderzoek in Nederland” 7 onderzoeksgroepen VU 250 mensen: Uv. A - 100 technici - 125 wetenschappers (55 promovendi) Ru. N Theorie afdeling FOM UU Electr. en Mechanische werkplaatsen Detector ontwikkeling Computing (Grid) samenwerking met UL TU/e RUG UT UD

Aujourd’hui: 1. (Astro-)deeltjesfysica in een notendop Waar doen we als Nikhef aan mee ? 2. Hoe kunnen jullie je steentje bijdragen ?

Natuurkunde “Krachten en deeltjes” 5/47

Zwaartekracht “massa” Newton Electro-magnetisme “elektrische lading” + + + - Maxwell

Structuur van atomen Atoom = kern met electronen eromheen 10 -10 m De natuur op deze schaal (atoom) is niet te begrijpen met de ‘oude’ natuurwetten Bijv: Waarom vallen de electronen niet in de kern ?

Zelfde krachten … nieuwe modellen Relativiteitstheorie Newton Einstein Quantum mechanica Maxwell Bohr

Kleiner en nauwkeuriger De kern bestaat uit protonen en neutronen. Hoe kan dat ? 10 -10 m 1] Positieve deeltjes stoten elkaar toch af 2] Wat houdt de neutrale deeltjes bij elkaar ? 10 -15 m 2 nieuwe natuurkrachten: De zwakke en sterke kernkracht

proton neutron up up down Natuur opgebouwd uit maar 3 bouwstenen: up-quarks, down quark en electron

Huidige status Deeltjes: e e up down charm strange Top Bottom Salam Weinberg Krachten: 1) Electromagnetisch foton ( ) 2) Zwakke kernkracht W + , W-, Z 3) Sterke kernkracht gluonen (8) Glashow 4) Zwaartekracht is een vreemde kracht: geen quantum theorie en veel zwakker dan andere krachten

Martinus Veltman Gerard ‘t Hooft Nu kunnen we er ook iets mee uitrekenen 12/47

“Alle metingen in deeltjesfysica worden in het SM verklaard” “Het Higgs boson wordt zoals verwacht bij de LHC ontdekt” Zeker niet waar … er zijn nog veel vragen over

Het Standaard Model en zijn mysteries: Kan de zwaartekracht niet toetreden tot het Standaard Model ? Wat is de oorsprong van de massa van de deeltjes ? (Higgs boson) In hoeveel dimensies leven we eigenlijk ? 1 Hebben we nu echt de fundamentele elementaire deeltjes ? Zijn er nieuwe symmetrieen in de natuur ? Waarom zijn er slechts drie families van fermionen ? Zijn protonen echt stabiel ? 2 Waarom is elektrische lading gequantiseerd ? Waarom is er meer materie dan anti-materie in ons universum ? Wat is die donkere materie en donkere energie ? Exploderen quantumcorrecties bij nog hogere energieën ? Waarom zijn de neutrino massa’s zo klein ? 3

Een van de problemen: Donkere materie Draaien van clusters Temparatuurfluctuaties in heelal Maar 4% van alles wat we zien in het heelal zijn atomen ! Wat is de rest ? ? ?

Nieuwe modellen, nieuwe krachten ? ? 2 krachten Newton/Maxwell 2 krachten Einstein/ Bohr 10 -10 m 4 krachten Standaard Model 10 -15 m ? 10 -19 m We gaan in 2008 kijken wat natuur voor ons in petto heeft E. Verlinde … en wiens model werkt L. Randall R. Dijkgraaf E. Witten

De LHC versneller 17/47

[1] kijken met licht Energie Röntgen golflengte Ultra Violet 10 -6 m oo p 10 -11 m Infra rood ne n m ic ro sc [2] kijken met deeltjes ct le : e jv Bi Deeltjes met hoge energie in deeltjesversneller microscoop voor afstanden kleiner dan een proton ro Quantum mechanica: deeltjes zijn ook golven ~ 10 -18 m

De grootste miscoscoop op aarde de ‘Large Hadron Collider’ (LHC) op CERN bij Genève

Hoe groot is de LHC eigenlijk ? Amsterdam

De CERN versneller-tunnel 27 km lang, 100 m onder de grond

De Tunnel

CERN press-release: probleem sector “re-start LHC in maart 2009” Aan het opwarmen

De Large Hadron Collider (eigenschappen) ~ 3000 x 3000 100 miljard 7 Te. V 10 miljoen sec-1 Door het oog van een naald en wachten op een botsing!

‘gewoon’ even uitrekenen wat je verwacht Model 1, 2, 3, … Klopt het ?

Detectoren Algemeen en Nikhef’s involvement 25/47

Het grootste fototoestel op aarde de ‘ATLAS detector’ SCT Muon kamers een persoon

Een gat in de grond … ongeveer 100 meter diep

Oude LEP detector (1990 – 2000) LHC detector dwarsdoorsnede

Doorsnede van een LHC detector impuls en lading geladen deeltjes energiemeting electronen en fotonen energiemeting hadron deeltjes (quarks) detectie van muonen

Geladen deeltjes herkennen Barrel SCT Forward SCT TRT Pixel Detectors Pixels Silicon Tracker (SCT) Transition Radiation Tracker (TRT) 80. 000 kanalen 6. 000 kanalen 300. 000 kanalen

NIKHEF levert hoogwaardige technische expertise bij de opbouw op CERN

NIKHEF bouwt deel van de ATLAS detector SCT, Muon kamers, … ATLAS SCT detector

Astro-deeltjes 34/47

Ontdekking Kosmische stralen 1890: observatie: verlies elektrische lading verklaring: ioniserende straling – radioactiviteit Elektroscoop 1907: Theodor Wulf [leraar uit Valkenburg]: elektroscoop in mergelgrot geen afname elektroscoop op eifeltoren zelfde afname 1912: Victor Hess Experiment: hete luchtbalon tot grote hoogte Observatie: Intensiteit neemt eerst af en boven 5 km neemt het weer toe die Höhenstrahlung Buitenaardse oorsprong Nobelprijs 1936

Kosmische straling Gerard van der Steenhoven p Victor Hess: Nobelprize 1936 Ontdekking anti-materie, muonen, pionen

Energie Kosmische straling (welke deeltjes, hoeveel, welke energie) 1 deeltje /m 2 per jaar Active Galactic Nucleus 1 deeltje /m 2 per jaar 1 deeltje /km 2 per jaar Energy (e. V) Gerard van der Steenhoven -Quasar Flux ( m 2 sr s Ge. V)-1 Cygnus

Pierre Auger experiment

Argentinie 1600 tanks, 1. 5 km uit elkaar Meten van zeer energetische deeltjes ‘shower’

Oorsprong kosmische stralen ? Neutrino experimenten (Nikhef) p n Fotonen ( ): geabsorbeerd n Protonen (p): afgebogen n Neutrino’s ( ): DE BRON Gerard van der Steenhoven

ANTARES detector Gerard van der Steenhoven 12 string ANTARES detector 14. 5 m 350 m Neutrino Gerard van der Steenhoven p Buoy Junction box Muon 100 m ~60 -75 Nucleus m Junction box

Oorsprong deeltjes Protonen: buigen af in galactisch magnetisch veld Fotonen: geabsorbeerd door gas Neutrino’s: kan, maar zeer lastig te detecteren Schaduw van de maan (muonen) Oorsprong zeer hoog energetische stralen

Jullie rol 43/47

Mogelijkheden tot verdere kennismaking… 2 e jaar: - Researchpracticum - Deeltjesfysica I - Tweedejaars project - start januari - start februari - start juni technisch 3 e jaars: - Bachelorsproject - Deeltjesfysica II - start april - start februari 8 weken Master: - Particle & Astroparticle Physics (track) groepjes 1+1 jaar

Voorbeelden Research practicum: - ATLAS muon detector (data analyse) - Imaging van geladen sporen (R&D) g o tn g Tweedejaars project: -Dubbel Beta verval zonder Neutrino’s li r o in ht lg o v c Vo Bachelor project: - Zoeken naar extra ruimte dimensies Affiniteit met computing niet onbelangrijk

De master P&AP n n Theorie • Deeltjesfysica: Standaard Model (QED, EW, QCD) • Astrodeeltjesfysica • Caput colleges (… Higgs mechanisme door mij) Experiment • Fysica van deeltjesdetectie • Statistische data analyse • Caput colleges Samenwerking • Mini-experiment • CERN summer student (restricted) Onderzoek

Vragen: Marcel Vreeswijk Els de Wolf Bachelor coordinator Master coordinator Ivo. van. Vulpen@nikhef. nl

Backup

Wat hebben jullie met het Nikhef te maken ? Het IHEF instituut is deel van de Natuurkundefaculteit en deel van het Nikhef n IHEF (in order of appearance) n Stan Bentvelsen (relativiteitstheorie) Marcel Vreeswijk (bachelorcoordinator) Auke Pieter Colijn (electromagnetisme & numnat) Ivo van Vulpen (deeltjes fysica I) Paul Kooijman (deeltjesfysica I of

Mogelijkheden tot verdere kennismaking… n Tweedejaars #Researchpracticum (start januari) #Deeltjesfysica I (start februari) #Tweedejaars project (start juni) n Derdejaars #Bachelorsproject (start april) #Deeltjesfysica II (start februari)

Voorbeelden n Research practicum (zie rondleiding) #ATLAS muon detector (data analyse) #Imaging van geladen sporen (R&D) n Tweedejaars project #Voorlichting volgt nog #Dubbel Beta verval zonder Neutrino’s

Nieuwe krachten/modellen geven nieuw inzicht in de begrip van de natuur: Een neutron kan vervallen: Voorbeeld: de zwakke kernkracht. neutron proton electron neutrino Radio-activiteit: radio-actieve straling Strontium 38 + 52 Yttrium + elektron + neutrino 39 + 51

Detectoren: … groot … groter … Pierre-Auger Fluorecentie: - Stikstofatomen raken aangeslagen - Zenden bij verval licht uit Pierre-Auger observatorium: Fluorecentie detectoren Cherenkov: Relativistische deeltjes door water zenden Cherenkov straling uit - op pampas in Argentinie - 1600 watertanks paar km uit elkaar - Totale opp. 3000 km 2 ~ provincie Utrecht

Neutrino-detectoren Voordeel: Neutrino’s wijzen terug naar bron Nadeel: Kleine interactie neutrino’s Detectie-principe: Te ‘zien’ via Cherenkov straling van muonen Grote detector nodig Groot: Antares / Amanda Groter: KM 3 -net / Icecube Neutrino Muon Nucleus

Verplichte vakken P&AP n Kernvakken: - Particle Physics I, II (Standard Model) semester 1 - Astroparticle Physics - Particle Detection semester 2 n Nikhef project Mini-experiment: Ontwerp en bouw deeltjesdetector, neem data en analyseer data, publiceer Project management

Keuzevakken P&AP n n n n Statistical Data Analysis Capita (3 EC): • • • Nikhef Neutrino physics Beyond the Standard Model CP violation Non-perturbative QCD Programming C++ Quantum Field Theory Particles and Fields General Relativity Cosmology High energy astrophysics ITF API