Inhoud: Bouwstenen van materie: het getal 3 Antimaterie en de oerknal Standaardmodel: deeltjes en krachten De speurtocht naar het Higgs deeltje De antimaterie – Higgs connectie: wederom 3 Nieuws! Hot from the press…

1. 1
Marcel Merk
Probus-II lezing
16 Maart 2016
Higgs en het mysterie van de
ontbrekende antimaterie

2. 2
Astronomie Deeltjes-
fysica
“Nieuwe Fysica”?
(Fysica voorbij het Standaardmodel)

3. 3
Astronomie Deeltjes-
fysica
Inhoud:
• Bouwstenen van materie: het getal 3
• Antimaterie en de oerknal
• Standaardmodel: deeltjes en krachten
• De speurtocht naar het Higgs deeltje
• De antimaterie – Higgs connectie: wederom 3
• Nieuws! Hot from the press…

4. 4
Elementaire Deeltjes
en het getal 3

5. 5
Elementaire Deeltjes
en het getal 3
“De kleinste kleumelkes”
Pie de Bökkum,
Ensinck de Kletskop
Flup de Koojstart

6. 6
Bouwstenen van materiequarks
elektron
Nucleusneutron
proton
atoom

7. 7
De aardse materie
periodiek systeem
Van Mendeleev
Zelfs…

8. 821 cctober, 2006 Waar is de Anti-materie heen?
CERN: het laboratorium

9. 9
CERN: de LEP versneller
Tunnel van 27 km, 100 m diep

10. 10
Large Electron Positron versneller
LEP 1989-2000

11. 11
Het L3 LEP Experiment
LEP 1989-2000

12. 12
Het L3 LEP Experiment

13. 1321 cctober, 2006 Waar is de Anti-materie heen?
Alle mogelijke materie ontstaat

14. 14
Alle mogelijke materie ontstaat

15. 15
De Elementaire Deeltjes
Lading
+2/3 e
-1/3 e
-1 e
0 e
quarks
Generatie:
leptons
Materie
(1956)
u
d
I
e
ne
(1895)
t
b
III
t
nt
(1973)
(2000)
(1978)
(1995)
c
s
II
m
nm
(1936)
(1963)
(1947)
(1976)

16. 16
CERN 1993: Er zijn precies 3 generaties!
Lading
+2/3 e
-1/3 e
-1 e
0 e
u
d
c
s
t
b
I II III
e tm
ne nm nt
quarks
Generatie:
leptons
Materie
(1956)
(1973)(1936)
(1963) (2000)
(1895)
(1947) (1978)
(1995)(1976)
LEP
2 neutrino’s
3 neutrino’s
4 neutrino’s
metingen
Botsingsenergie (GeV)
Hetaantalgebeurtenissen

17. 17
Is dit alles wat er is?
Lading
+2/3 e
-1/3 e
-1 e
0 e
u
d
c
s
t
b
I II III
e tm
ne nm nt
quarks
Generatie:
leptons
Materie
~0
1777106
~0 ~0
0.511
120 4300
1763001200
~7
~3
1 MeV = 1.8 x 10 -30 -kg

18. 18
Antimaterie en de Oerknal

19. 19
Antimaterie en de Oerknal
“Boe zien die anti-kloomele?”
Rika (antimaterie??)

20. 20
Fysica van elementaire deeltjes
• Revoluties begin vorige eeuw:
 Relativiteitstheorie
 Quantum Mechanica
• Paul Dirac: relativistische
quantum theorie!
Dirac AntiDirac
Voorspelling Dirac 1928:
Voor elk materie deeltje
bestaat een antimaterie
deeltje!
(Westminster abbey)

21. 21
1928: Dirac voorspelt anti-deeltjes
• Anderson zag een elektron
met “verkeerde” lading: e+
• Registratie in een nevelvat
1932: Anderson ontdekt anti-elektron

22. 22
De elementaire deeltjes
Lading
+2/3 e
-1/3 e
-1 e
0 e
u
d
c
s
t
b
I II III
e tm
ne nm nt
quarks
Generatie:
leptons
Materie

23. 23
De elementaire deeltjes
Lading
+2/3 e
-1/3 e
-1 e
0 e
u -2/3 e
+1/3 e
+1 e
0 e
d
c
s
t
b
I II III
e tm
ne nm nt
quarks
Generatie:
leptons
u
d
c
s
t
b
e tm
ne nm nt
Materie Anti-materie
Lading IIII II

24. 24
anti-materie
anti
elektron
anti
quarks
u
d
e
anti
up
anti
down
matter
electron
quarks
u
d
e
up
down
positron
Energie =
Materie + Antimaterie
E=mc2

25. 25
Antimaterie
Waterstof atoom Antiwaterstof atoom

26. 26
Het ATHENA experiment op CERN
Antimaterie
bestaat echt!

27. 27
… een wereld van antimateriequarks
elektron
Nucleusneutron
proton
atoom

28. 28
… een wereld van antimaterie?anti-quarks
anti-elektron
anti-nucleusanti-neutron
anti-proton
anti-atoom
anti-plant
Identiek !

29. 29
Is er antimaterie in de natuur?
• Komt het voor
op Aarde?
e+ e-
• Nee, we zouden het
onmiddelijk zien:
 “Annihilatie”

30. 3021 cctober, 2006
• Is er antimaterie in
kosmische straling?
 Het AMS experiment
Het antwoord:
Nee!

31. 3121 cctober, 2006 Waar is de Anti-materie heen?
Zijn er antimaterie sterrenstelsels?
(materie + anti-materie =
Intense gamma stralen)
e+ e-
Nee!

32. 32
Terug naar de Oerknal
Veronderstelling: Er ontstaat materie en antimaterie!

33. 33
Het vroege hete heelal
Dus: “ietsiepietsie” meer materie deeltjes
dan antimaterie deeltjes
materie:
antimaterie:
licht
Stel:
1000000001
1000000000
Tijd=0.00000000001 seconde
(E=mc2)

34. 34
Het afgekoelde heelal
materie
antimaterie
licht
Er blijft over: veel licht en een beetje materie
Verhouding : 100000000 : 1
Ons huidige heelal….
Na afkoelen
heffen en
elkaar op
Tijd ~1 seconde

35. 3521 cctober, 2006 Waar is de Anti-materie heen?
Kosmische achtergrond straling
2.7248K 2.7252K
1964: Penzias en Wilson
ontdekken: “achtergrond licht”
(fotonen)
Restant van de oerknal
Een temperatuur kaart …
van het heelal
Voor elk materie deeltje
zijn er miljard fotonen
-2700 C

36. 36Materie en Antimaterie
Het heelal zoals we het nu zien
Waargenomen
Nagloeilicht:
Resterende
materie:
+
“veel”
(1000000000)
“weinig”
( 1 )

37. 37
Oerknal: veel materie, geen antimaterie?

38. 38
Het Standaardmodel
Deeltjes, Krachten en Higgs

39. 39
Het Standaardmodel
Deeltjes, Krachten en Higgs
“Wie kump dat noe allemaol?”
Piele Hameleers: Standaardmodel

40. 40
De Elementaire Deeltjes: 3 generaties
Lading
+2/3 e
-1/3 e
-1 e
0 e
quarks
Generatie:
leptons
Materie
(1956)
u
d
I
e
ne
(1895)
t
b
III
t
nt
(1973)
(2000)
(1978)
(1995)
c
s
II
m
nm
(1936)
(1963)
(1947)
(1976)

41. 41
Vier fundamentele natuurkrachten
Zwaartekracht:
Elektromagnetisme:
Sterke kernkracht:
Zwakke kernkracht:
Werkt op alle deeltjes met massa
Werkt op alle elektrisch geladen deeltjes
Werkt op alle quarks
Werkt op alle deeltjes

42. 42
Kracht = deeltjes uitwisseling!!
1) Electromagnetisme: Foton  2) Sterke kernkracht: gluon
3) Zwakke kernkracht: W+, W-, Z0 4) Zwaartekracht: graviton ??
Wat er wordt uitgewisseld noemen we een “quantum”  Quantum Mechanica
Het quantum van zwaartekracht is nooit aangetoond.

43. 43
Hoe Sterk zijn de Krachten?
0.0000000000000
000000000000000
0000000000001
0.0001 1 60Strength

44. 44
Het Standaard Model

45. 45
Het Standaard Model

46. 46
Het Standaard Model

47. 47
Het Standaard Model
Kracht-velden
Koppeling van kracht
aan materie-deeltjes
Koppeling van Higgs
aan materie-deeltjes
Higgs veld

48. 48

49. 49

50. 50
Het Standaard Model

51. 51
LHC: Speuren naar het
Higgs Boson

52. 52
LHC: Speuren naar het
Higgs Boson
“Groete apperate inein fisternulle”
Pieke Dassen: kunstig

53. 53

54. 54
CERN: de LHC versneller
Hergebruik van de LEP tunnel
met nieuwe experimenten.

55. 55
De LHC versneller
Totale bundel energie gelijk
aan een TGV op volle
snelheid.

56. 56
Het Atlas Experiment

57. 57
Het Atlas Experiment
Het grootste fototoestel op aarde
• 45m x 25 m
• 2500 fysici
80 MegaPixel camera: 40.000.000 foto’s per seconde

58. 58
Het Atlas Experiment in aanbouw
Grootste door de mens gebouwde ondergrondse hal ter wereld

59. 59

60. 60
De Atlas muonen detector

61. 61
Atlas: zijaanzicht

62. 62
Atlas: vooraanzicht

63. 63
Ontdekking van Higgs boson

64. 64
Ontdekking van Higgs boson
“Wat Higgs en aandere ziech
bedach hadde.”
Minckeleers: aoch oontdekking

65. 65
20 November 2009

66. 66Waar is de Anti-materie heen?
Botsingen van Deeltjes

67. 6721 cctober, 2006 Waar is de Anti-materie heen?
Alle mogelijke deeltjes ontstaan

68. 68

69. 69
ppHiggsZZmmmm?
m
m
m m
Atlas event

70. 70
CMS:Atlas:
HiggsZZmmmm?

71. 71
Atlas: CMS:
Higgsγγ?

72. 72

73. 73

74. 74
July 4, 2012
• Higgs dependence day July 4th

75. 75
CERN Auditorium
4 juli 2012

76. 76
Nobel prize in Physics 2013
Francois Englert Peter Higgs

77. 77

78. 78
Higgs Veld en Deeltje
• Higgs veld is uniform, moeilijk waar te nemen.
• Higgs-boson deeltje is “golf” van het veld.
• Massa ontstaat door interactie van materie
deeltjes met het Higgs veld.

79. 79
Het Vacuum

80. 80
H
ee
Elektron in Higgs veld
1963

81. 81
e
Elektron,e
Spin ½
Lading 1
Lifetime 
Massa .511 MeV
1897
m
Muon,m
Spin ½
Lading 1
Lifetime 2.2 ms
Massa 106 MeV
1937
t
Tau, t
Spin ½
Lading 1
Lifetime 290 fs
Massa 1777 MeV
1975

82. 82
©Jean-PaulKeulen
e
m
t

83. 83
Dus…

84. 84
Verdwenen Antimaterie
en Higgs: weer 3 ?!

85. 85
Verdwenen Antimaterie
en Higgs: weer 3 ?!
“Wat is dat toch mèt
die dreij huive?”

86. 86
Het vroege hete heelal
Dus: “ietsiepietsie” meer materie deeltjes
dan anti-materie deeltjes
materie:
anti-materie:
licht
Stel:
1000000001
1000000000
Tijd=0.00000000001 seconde

87. 87
Escher’s impressie over een
wereld van materie en antimaterie
materie
antimaterie
links rechts
kleuranti-kleur

88. 88
Het Standaard Model
Kracht-velden
Koppeling van kracht
aan materie-deeltjes
Koppeling van Higgs
aan materie-deeltjes
Higgs veld

89. 89
Materie vs Antimaterie
• 1972: Theorie: met 3 generaties deeltjes
is er verschil in krachten tussen materie en
antimaterie mogelijk.
 Dit wordt veroorzaakt door het Higgs veld!
Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa
Nobelprijs 2008
3 generaties!

90. 90
CERN 1993: Er zijn precies 3 generaties!
Lading
+2/3 e
-1/3 e
-1 e
0 e
u
d
c
s
t
b
I II III
e tm
ne nm nt
quarks
Generatie:
leptons
Materie
(1956)
(1973)(1936)
(1963) (2000)
(1895)
(1947) (1978)
(1995)(1976)

91. 91
Het Standaard Model
• B-mesonen:
deeltjes met een b-quark

92. 92
Het LHCb Experiment

93. 93
23 sep 2010 19:49:24
Run 79646 Event 143858637
The LHCb Detector
93
Vergelijk miljoenen materie en antimaterie deeltjes vervallen…
…en zoek naar verschillen tussen materie en antimaterie!

94. 94
Beauty deeltjes:
verschil tussen materie en antimaterie
• Maar links en rechts niet even snel!
• Dit gebeurt alleen bij zeldzame vervallen waarbij deeltjes
van 1e, 2e en 3e generatie betrokken zijn.
• Dit gaat precies zoals verwacht volgens de Higgs “kracht”!
B0 → K+ p B0 → K p+
B deeltje vervalt naar
een K+ en π- deeltje
anti-B deeltje vervalt naar
een K- en π+ deeltje
Materie process Antimaterie process

95. 95
Beauty deeltjes:
verschil tussen materie en antimaterie
B0 → K+ p B0 → K p+
B deeltje vervalt naar
een K+ en π- deeltje
anti-B deeltje vervalt naar
een K- en π+ deeltje
• De natuurwetten voor materie en antimaterie blijken
duidelijk niet 100% spiegel-symmetrisch !

96. 96
Escher’s impressie over het
verschil tussen materie en antimaterie
materie
antimaterie
links rechts
kleuranti-kleur

97. 97
Zijn we nu klaar?

98. 98
Het vroege hete heelal
Dus: “ietsiepietsie” meer materie deeltjes
dan anti-materie deeltjes
materie:
anti-materie:
licht
Stel:
1000000001
1000000000
Tijd=0.00000000001 seconde

99. 99
Het vroege hete heelal
Dus: “ietsiepietsie” meer materie deeltjes
dan anti-materie deeltjes
materie:
anti-materie:
licht
Stel:
1000000001
1000000000
Tijd=0.00000000001 seconde
De Standaardmodel
verklaring komt te
kort. Er is meer nodig
dan een Higgs
deeltje!

100. 100

101. 101

102. 102
Hoe nu verder?
• Standaardmodel beval wiskundige “toevalligheden”.
• Ontbrekende antimaterie is niet verklaard.
• Ligt een antwoord bij leptonen?
• Wat is Donkere Materie?
 Nieuwe deeltjes? StandaardmodelSupersymmetrie?
 De LHC speurt naar nieuwe deeltjs…
• Mijn persoonlijke fascinatie:
 Waarom zijn er drie generaties
fundamentele deeltjes?

103. 103
Nieuwe opwinding bij de LHC??
Higgs ontdekking 2011-2012: Atlas in Dec 2015 (!):
MHiggs = 126 GeV MX = 750 GeV?
CMS nieuws morgen (17-3-2016) !!!
Ofwel: statistische fluctuatie, Ofwel: revolutie!
?

104. 104
Nieuwe opwinding bij de LHC??
Atlas in Dec 2015 (!):
MHiggs = 126 GeV MX = 750 GeV?
Ofwel: statistische fluctuatie, Ofwel: revolutie!
1936 Isidor Rabi:
het muon
CMS nieuws morgen (17-3-2016) !!!
?

105. 105
Nieuwe opwinding bij de LHC??
Atlas in Dec 2015 (!):
MX = 750 GeV?
Ofwel: statistische fluctuatie, Ofwel: revolutie!
?
CMS nieuws morgen (17-3-2016) !!!
?

106. 106
Supersymmetry Particles ??

107. 107

108. 108
Bedankt voor uw aandacht.