Nationaal instituut voor subatomaire fysica

Inleiding voor scholieren

(Astro-) Deeltjes-Fysica

Hieronder vind je een algemene inleiding in de wereld van de (astro-) deeltjes-fysica. Er worden verschillende aspecten besproken, allemaal geschikt als onderwerp voor je profiel werkstuk. Meer informatie vind je onder weblinks. Kom je er toch niet (helemaal) uit, dan kun je contact opnemen met Els Koffeman of Marcel Vreeswijk van Nikhef/UvA/Ihef.

De Big Bang; het begin van ruimte en tijd!

Alles om ons heen is waarschijnlijk begonnen met een grote knal uit het niets. Deze knal luidde het begin in van onze tijd in en ook van onze ruimte. Tijdens de eerste fractie van een seconde, toen het heelal nog makkelijk in een speldenknop paste, hebben fundamentele natuurkrachten deeltjes gevormd en vernietigd. Uiteindelijk zijn de atomen overgebleven zoals wij die nu kennen.  Wetenschappelijk onderzoek met (elementaire) deeltjes botsingen bij hoge energieën heeft als doel de natuurkrachten en de elementaire deeltjes in kaart te brengen en zo uiteindelijk inzicht te verkrijgen in de geboorte van het heelal.

inleiding op CERN (Engels)

Elementaire deeltjes; de bouwstenen van de natuur

Elementaire deeltjes; de bouwstenen van de natuur. De wereld om ons heen bestaat uit ontelbaar veel stoffen en voorwerpen. Toch is het aantal soorten elementaire deeltjes, dat nodig is om alles dat we kennen uit het dagelijks leven, op te bouwen, op slechts één hand te tellen!   Dit inzicht is het resultaat van jaren onderzoek. Er zijn twee soorten elementaire deeltjes: leptonen (3 families) en deeltjes opgebouwd uit quarks. Ook alle atomen zijn uiteindelijk opgebouwd uit elementaire deeltjes en dus uit quarks en leptonen. Daarnaast zijn er de krachtendeeltjes die zorgen voor een scala aan mogelijke interacties tussen de deeltjes. Alle quarks en leptonen zijn ontdekt en bestudeerd in experimenten. Dit geldt ook voor alle krachtendeeltjes,behalve het Higgs deeltje. De Higgs interactie is de onderliggende kracht die deeltjes massa geeft.

 

De ‘Higgs’, de jacht op een ontbrekend deeltje

Zonder het Higgs deeltje is het theoretische model van elementaire deeltjes (Standaard Model) niet compleet. Het bestaan van het Higgs deeltje is een elegante hypothese, die in één keer de diversiteit onder de elementaire deeltjes door massa-verschillen (kwalitatief) verklaard. Er is overigens geen enkele fundamentele reden waarom het massa principe via het Higgs mechanisme verloopt. Verassingen in de nabije toekomst op het gebied van experimenteel onderzoek zijn daarom niet uitgesloten!

Brochure ATLAS Experiment

Deeltjes Versnellers; surfen op elektromagnetische golven!

De deeltjesversnellers, die in de Hoge Energie Fysica onderzoek gebruikt worden, zijn grote machines van kilometers lang. Een versneller is opgebouwd uit meerdere secties die de deeltjes versnellen en sturen, zodat ze binnen de versneller buis blijven. In deze secties worden elektromagnetische velden opgewekt die de deeltjes voortstuwen. Misschien kun je dat het beste voorstellen alsof de deeltjes surfen op elektromagnetische golven.  Het grootste versneller laboratorium (CERN) ter wereld bevindt zich op de grens van Frankrijk en Zwitserland. Hier ligt een cirkelvormige tunnel van 27 km omtrek zo’n 100 meter onder de grond. In deze tunnel zal in 2006 de LHC versneller gereed zijn om de eerste botsingen tussen protonen met energieën van 7 TeV (Tera ElectronVolt) op 7 TeV te laten plaatsvinden. Het is moeilijk uit te leggen wat het betekent als een proton een energie van 7 TeV heeft. In ieder geval beweegt het proton dan heel snel, bijna met de snelheid van het licht: 300000 km/sec.

Versnellers en Experimenten


Botsende Deeltjes; wat leren we van de brokstukken?

Stel je eens voor dat er twee planeten op elkaar botsen; dat is spectaculair. Toch stelt dan de botsings-energie per elementair deeltje niet zoveel voor vergeleken met de botsingen tussen twee deeltjes in een deeltjesversneller! Hier ontstaan energie dichtheden waardoor we op heel kleine schaal het binnenste van deeltjes kunnen bekijken en er zullen zelfs nieuwe deeltjes ontstaan. In feite creëren we hiermee de omstandigheden zoals ten tijde van de Big Bang, of vlak erna, en verkrijgen hiermee inzicht over het ontstaan van het heelal. Precies uit zoeken wat er tijdens een deeltjesbotsing gebeurt is niet eenvoudig. Hiervoor zijn heel precieze detectoren nodig, boordevol moderne elektronica. Een van de detectoren die in 2007 de eerste botsingen tussen protonen bij 7 TeV gaat registreren, is de ATLAS detector. Deze detector is 44 m lang en 25 m hoog. De cilindervormige buitenste schil zal bestaan uit detectoren die door Nikhef (Amsterdam) gemaakt worden.

Het Zeus Experiment
Het Atlas Experiment (Engels)

Kosmische straling; een continue bombardement

Op de grote laboratoria zijn met deeltjesversnellers en detectoren belangrijke voorspellingen van het Standaard Model bevestigd en voor de nabije toekomst zal de zoektocht naar het Higgs deeltje op het programma staan. Toch hoeven we niet zo ver huis om naar elementaire deeltjes te kijken. Op het moment dat je dit leest word je namelijk beschoten met kosmische deeltjes; er gaan er wel zo’n 100 per seconde door je duimnagel!

De kosmische straling op zeeniveau die we (eenvoudig) kunnen meten bestaat voornamelijk uit muonen. Daarvan gaat er ongeveer één per seconde door je hand. De afgelopen decennia heeft men veel van de kosmische straling geleerd, maar er zijn nog genoeg vraagstukken over. Zo zijn er kosmische muonen gedetecteerd met energieën zo hoog dat niemand begrijpt waar ze vandaan komen!

Kosmische Straling
Kosmische Straling en LEP (Engels)  


De Middellandse Zee als deeltjes detector

Een groot experiment dat kosmische neutrino’s probeert te bestuderen is ANTARES. Neutrino’s zijn leptonen; het is niet bekend wat de massa is van deze deeltjes. Neutrino’s zijn moeilijk te detecteren en daarom zijn grote detectoren nodig. In het geval van ANTARES wordt daar een gebied van een kubieke kilometer Middellandse zee voor gebruikt.

Het Antares Experiment (Engels)


Zelf meten aan Kosmische Straling

Als het bovenstaande je nieuwsgierigheid heeft gewekt en je zou naast een ‘internet-studie’ ook zelf wel eens wat willen meten dan kan dat. Op Nikhef is het mogelijk om metingen te verrichten aan kosmische muonen. Recente informatie vind je op de webpagina van het Nikhef onder 'Lesmateriaal'.

Links:
Deeltjes Fysica Algemeen (Engels)
Particle Adventure
De CERN web pages (Engels)