Nieuws:

vrijdag, 14 januari 2011 · Nieuws

Event_klein

Volgens sommige natuurkundigen zouden de hoogenergetische botsingen in deeltjesversneller LHC piepkleine zwarte gaten kunnen produceren. Inmiddels zijn die botsingen volop bezig, maar van zwarte gaatjes ontbreekt ieder spoor. Het betekent alweer een inperking van de snaartheorie.

 

LHC (Large Hadron Collider)

Het atoom-model.

 

Als voorbeeld is het silicium-atoom genomen.(schematisch voorgesteld)

LHC

CEL
Het getal 14 is het atoomnummer en geeft het aantal protonen in de atoomkern aan. Het aantal protonen is gelijk aan aantal elektronen.
Het atoomnummer is het ook het volgnummer van de elementen uit het periodiek systeem.
De atoommassa is 28,0855 (aantal protonen + neutronen + elektronen)
Het aantal elektronen in de K schil =2
Het aantal elektronen in de L schil =8
Het aantal elektronen in de M schil =4

Zoals gezegd het aantal protonen is 14, om nu het aantal neutronen te weten, hoeven we alleen het getal 14 af trekken van de atoommassa, dus zijn er 28-14= 14 neutronen in dit atoom. Isotopen zijn atomen van hetzelfde chemische element, en dus met hetzelfde aantal protonen, in dit geval 14, maar waarin het aantal neutronen verschilt. Zo zijn er verschillende atomen Si die minder of meer neutronen bezitten van 8 tot 30 neutronen, alleen de atomen met 14,15,en 16 neutronen zijn stabiel, de andere vervallen in relatief zeer korte tijd (van enkele ms tot 170 jaar) naar een ander vervalprodukt met een andere chemische samenstelling.

Hier in het voorbeeld is het aantal protonen gelijk aan het aantal neutronen, meestal is dit niet het geval.

Omdat elektronen in vergelijking met protonen en neutronen vrijwel geen massa hebben, worden ze bij het bepalen van de atoommassa buiten beschouwing gelaten.

Wanneer het atoom als geheel elektrisch neutraal is, is het atoomnummer gelijk aan het aantal elektronen in de elektronenwolk rond de kern.

Een ion is een atoom dat door gebrek of een overschot aan electronen elektrisch geladen is.
De siliciumatomen kunnen ook uit 15,of 16 electronen bestaan, dat noemt men silicium-ionen, de atomen zijn dan niet elekrisch neutraal meer, maar negatief geladen.

CEL
De afbeelding hiernaast laat ongeveer een voorstelling van een atoom zien. In werkelijkheid kunnen de elektronen zich overal bevinden, zowel binnen als ver buiten de elipsen. Alles in het atoom beweegt(trilt),in een wolk van golfbewegingen en energie. Deze kansverdelingen waar elektronen zich bevinden, worden vaak schillen genoemd (de juiste naam voor de omgeving waarin het elektron zich kan bevinden is orbitaal), omdat de elektronen met de hoogste energie zich over het algemeen verder van de kern, in de buitenste schil zullen bevinden. De negatief geladen elektronenwolk die zich rondom de kern beweegt wordt aangetrokken door de elektrisch positief geladen kern.

CEL
Hiernaast is schematisch een neutron weergegeven. De quarks waaruit de neutronen en protonen bestaan, worden bijeengehouden door gluonen, hier weergegeven door witgekleurde veertjes.
Gluonen zijn KRACHTVOERENDE DEELTJES en deze kracht heet de STERKE KERNKRACHT.

De wereld om ons heen en ook wijzelf en de zichtbare materie in het heelal bestaan dus eigenlijk uit:
QUARKS en LEPTONEN (b.v. elektronen)
We hebben eerder gezien dat 3 quarks samen een proton of een neutron is.

HADRONEN noemt men samengestelde deeltjes die uit quarks bestaan dus zoals neutronen en protonen, een kern van een atoom bestaat dus uit hadronen.

QUARKS bestaan in 3 generaties met de volgende namen:

1e generatie: up en down
2e generatie: charm en strange (komen normaal niet voor)
3e generatie: top en bottom (komen normaal niet voor)
Dat zijn samen 6 stuks.

Elk deeltje heeft ook een anti deeltje (dat is een deeltje met tegengestelde SPIN)
Dat zijn samen dus 12 deeltjes.

Nu moeten we bedenken dat van elke quark er 3 kleursoorten zijn.
We moeten het woord kleuren niet letterlijk nemen, het is om ze uit elkaar te houden.
Dus totaal aantal quarks 3 x 12 = 36 stuks.

LEPTONEN bestaan ook in 3 generaties en zijn elementair en dus ondeelbaar.

1e generatie: het elektron en het elektron-neutrino
2e generatie: het muon en het muon-neutrino (komen normaal niet voor)
3e generatie: het tauon en het tauon-neutrino (komen normaal niet voor)
Dat zijn er samen dus 6.

Elk deeltje heeft zoals alle subatomaire deeltjes ook weer een anti deeltje (dat is een deeltje met tegengestelde SPIN)
Dus totaal aantal Leptonen 2 x 6 =12 stuks

Alleen de 1e generatie is stabiel, de 2e en 3e generatie vervalt in andere deeltjes van de 1e generatie en kunnen alleen worden gedetecteerd in deeltjes versnellers zoals de LHC.
Het muon vervalt bijvoorbeeld in een elektron en 2 neutrino's.
Over neutrino's komen we later nog terug.

GLUONEN: Zij lijmen de quarks aan elkaar zodat ze nooit los van elkaar kunnen komen.

Wat is nu de funktie van de gluonen die de quarks onderling bijeen houden als neutronen en protonen?
De gluonen brengen de sterke kernkracht over, ze binden dus de quarks aan elkaar en zorgen ervoor dat de quarks bijeengehouden worden en zich als neutron of proton gedragen. Experimenten hebben aangetoond dat er 8 stuks gluonen zijn.

Probeert men de quarks uit elkaar te trekken dan zal blijken dat de sterke kernkracht steeds groter wordt. Brengt men de quarks weer naar elkaar toe dan wordt de sterke kernkracht kleiner.
Dus analoog aan het  uittrekken van een trekveer en het weer laten ontspannen.

Nu blijft de vraag hoe wordt dan een proton die positief geladen is gebonden aan een neutron die immers geen lading heeft ?
Omdat de protonen en neutronen zich heel dicht bij elkaar bevinden, wisselen de gluonen die de quarks binnen deze hadronen bijeenhouden, ook krachten uit op zowel de quarks van de protonen als de quarks van de neutronen.

De gluonen wisselen onderling energie uit op zodanige wijze dat het systeem neutraal is.
Dit wordt de ZWAKKE KERNKRACHT genoemd.
De theorie die beschrijft hoe de uitwisseling van deeltjes in z'n werk gaat heet quantummechanica.
Deze mechanica verschilt fundamenteel van de klassieke mechanica.

In de natuurkunde zijn vier fundamentele natuurkrachten bekend: Alle krachten volgen uit de vier fundamentele krachten. In volgorde van afnemende sterkte zijn dit:

de sterke kernkracht, die de protonen en neutronen in de kern bij elkaar houdt, die kracht wordt overgebracht door gluonen.

de elektromagnetische kracht, die de elektronen bij een atoom vasthoudt, overgebracht door fotonen.

de zwakke kernkracht, die een rol speelt in diverse vervalprocessen bij radioactiviteit.
De zwakke kernkracht wordt overgebracht door W-bosonen (W+ en W-) en Z-bosonen (Z0) en beïnvloedt: neutrino's, geladen leptonen en quarks. De zwakke kernkracht stelt leptonen en quarks (en hun antimaterie-tegenhangers) in staat energie, massa en lading met elkaar uit te wisselen.

de zwaartekracht, die de materie op grote schaal bij elkaar houdt, hypothetisch overgebracht door gravitonen.

Er zijn MATERIE-DEELTJES en KRACHTVOERENDE-DEELTJES (wisselwerkingsdeeltjes).

FERMIONEN spin (s=1/2, s=3/2, s=5/2, ...) (zijn materie deeltjes)
De materie-deeljes hebben een halftallige draaiing (spin genoemd) en men noemt ze fermionen.
De fundamentele materiedeeltjes (QUARKS en LEPTONEN) en de meer bekende samengestelde deeltjes (BARIONEN als proton en neutron) zijn fermionen. Barionen zijn deeltjes die uit 3 quarks bestaan. Een proton heeft de code: uud. (2 up quarks en een down quark)
Een neutron heeft de code: udd. (1 up quarks en 2 down quarks) en zijn dus barionen.

BOSONEN spin (s= 0,1,2,3)
bosonen zijn de deeltjes die de vier fundamentele natuurkrachten dragen:
-Voor het elektromagnetisme is dat het foton.
-Voor de zwakke kernkracht is dat het W-boson en het Z-boson.
-Voor de sterke kernkracht is dat het gluon.
-Voor de zwaartekracht is dat het (nog niet aangetoonde) graviton,
en samengestelde deeltjes met een even aantal fermionen, bijvoorbeeld mesonen.
Mesonen bestaan uit een quark en een anti-quark als kosmische straling.


LEPTONEN (krachtvoerende deeljes) zijn elementair en dus ondeelbaar.
bv elektron en muon, tauon, hun bijbehorend neutino's en hun antideeltjes (totaal 12)
De krachtvoerende deeltjes hebben een heeltallige draaiing (spin) en men noemt ze dan bosonen.
Bosonen b.v foton (lichtdeeltje) en gluon (de krachten tussen quarks).


HADRONEN dat zijn alle samengestelde deeltjes.
Barion (bv proton en neutron) bestaande uit 3 quarks, en is dus ook een fermion.
Meson (bv pion en kaon) bestaande uit een quark en een anti quark, en is dus ook een boson.

 

 

Spin:

Alle fundamentele deeltjes hebben een bepaalde eigenschap die SPIN genoemd wordt. Dit is moeilijk voor te stellen, maar die eigenschap is een rekenkundige grootheid in de quantummechanica en is mede (voorwaarde is dat de deeltjes zowel spin als massa hebben) de oorzaak van elektromachnetische krachten.
Er zijn deeltjes die een breuk als spingetal hebben 1/2,3/2,5/2, ... die heten fermionen.
Er zijn deeltjes die een heel getal als spingetal hebben 0,1,2,3. die heten bosonen.

 

Golf-deeltje dualisme

De dualiteit van golven en deeltjes is een beginsel van de quaantummechanica dat zegt dat alle fundamentele deeltjes zich onder bepaalde omstandigheden als golven gedragen en alle golven zich onder bepaalde omstandigheden als deeltjes gedragen.
In de quantummechanica heeft goflengte te maken met inpuls.
Inpuls of momentum is in de klasieke mechanica de massa van het deelje vermenigvuldigd met de snelheid. Zoals een voetbal na aftrap en tijdens z'n vlucht een impuls heeft.
Een elektron heeft ook een impuls. Maar dan een quantummechanische impuls.

Een deeltje met een welbepaalde impuls is dus een heel nette golf met een welbepaalde golflengte. Zo'n golf is altijd heel uitgestrekt.
Om een golf te maken die scherp gelokaliseerd is binnen een beperkte ruimte, zijn altijd meer golflengten nodig. Hoe scherper gelokaliseerd, hoe meer verschillende golflengten.

Als de golffunctie van het deeltje veel verschillende golflengten bevat dan is de golflengte niet scherp bepaald. Bij een meting van de impuls van het deeltje resulteert dit in een onzekerheid in de uitkomst. De waarschijnlijkheid op het vinden van een bepaalde impuls wordt bepaald door de bijdrage die de bijbehorende golflengte levert aan de amplitude van de golf. Een direkte conclusie is dat een deeltje met een scherp bepaalde positie geen scherp bepaalde impuls kan hebben. Het omgekeerde is ook waar: een deeltje met een scherp bepaalde impuls moet uitgebreid zijn in de ruimte en kan dus geen welbepaalde positie hebben.

Radiogolven zijn ook elektromagnetische golven, ze gaan net zo snel als lichtgolven.
Op verschillende plaatsen wordt op het zelfde moment naar een uitzending geluisterd met dezelfde golf.
Elektromagnetische golven zijn golven(trillingen) van energie met een elektrisch veld en een magnetisch veld. Een licht-deeltje (foton) gedraagt zich als golf omdat het elektromagnetische veld positief of negatief kan zijn.

golfsnelheid = frequentie x golflengte
Omdat de golfsnelheid altijd dezelfde snelheid heeft (lichtsnelheid) bij elektromagnetische golven, zijn frequentie en golflengte omgekeerd evenredig.

Egolf

In bovenstaande figuur is H= Magnetish veld en E= Elektrisch veld.
Het magnetisch veld staat haaks op het elektrisch veld.
Rood licht heeft een frequentie van ongeveer 4,6 × 1014Hz
En komt dan overeen met een golflengte van ongeveer 800 nm (0,8 × 10-6m)
De frequentie is dus bij licht extreem hoog en de golflengte extreem klein.

Sommige processen in de quantum-wereld zijn zo absurd dat ze boven elke menselijke logica uitgaan. Een deeltje heeft geen vaste bepaalbare unieke locatie, maar het bevindt zich tegelijkertijd op verschillende plaatsen. Ook kunnen deeltjes door stevige barrières heendringen, zonder zelfs maar iets te raken , huppelen er eenvoudig doorheen en voor een barrière verdwijnen ze om op het zelfde moment daarachter weer op te duiken. Dat is wat wetenschappers tunnelen noemen.
Golven zijn een transport van energie paketjes (quanten).
Afhankelijk van hun energie is er sprake van: radio-, microgolf-, infrarood-, licht-, ultraviolet-, röntgen- of gammastraling.

Nu blijkt dat alle deeltjes, atomen, fermionen hadronen etc. ook golfeigenschappen bezitten met quantum mechanische eigenschappen.

Er zijn ongeveer 200 sub-atomaire deeljes (deeltjes binnen het atoom). Ze zijn gevat in het standaardmodel voor deeltjesfysica.
Het standaardmodel is een theorie.

Nu we eindelijk ongeveer weten wat hadronen zijn,(samengestelde deeltjes) weten we ook wat er in de deeltjes-versneller wordt gedaan en waar hij zijn naam aan ontleend. LHC , de Large Hadron Collider (de grote hadronen botser.)
De bedoeling van die botsingen is om nog onbekende deeljes te kunnen detecteren om zo het standaard-model compleet te maken.

De theoretici hebben al berekend dat er nog deeltjes moeten zijn die men nog niet heeft waargenomen.


Cern

100 meter onder de grond bij Genève bevindt zich de grootste deeltjes versneller ter wereld.
Het is cirkelvormig met een lengte an 27km. Ongeveer 8,6 km diameter
Onder de grond bevinden zich 4 stuks detectoren.

De ATLAS en de CMS zijn er allebij voor om vreemde deeltjes te te ontdekken, ieder doet dat op een andere manier en kunnen elkaar gebruiken om de resultaten te controlleren.

ALICE is voor het observeren van zware-ionenbotsingen. De botsingen vinden plaats in het centrum van de detector. ALICE bestaat uit verschillende componenten die elk karakteristieke eigenschappen van het quark-gluonplasma zullen meten.

De LHC-B detector registreert de productie van deeltjes en antideeltjes waarbij een bottom quark bij betrokken is. Uit eerdere metingen blijkt dat de symmetrie tussen deeltjes en antideeltjes geschonden is en LHCb gaat de ontbrekende puzzelstukjes vinden. Dit zou een verklaring kunnen opleveren waarom er in het heelal (bijna) allemaal gewone deeltjes (of gewone materie) voorkomt, terwijl er altijd evenveel materie als antimaterie gemaakt wordt.

SPS is een superprotonsynchrotron. zie schematische tekening hieronder.

SPS

Hoe worden nu de protonen in de LHC geladen, Die moeten eerst gemaakt worden en dat gebeurt in een ionenbron (ionen zijn zoals we in het begin hebben behandeld atomen met meer of minder electronen als normaal) (bij Sources). Vanuit de ionenbron worden de protonen versneld met behulp van een lineaire versneller ( LINECS). Van daaruit worden de protonen geladen in een protonsynchrotron , dat is de kleinere versnellerring PS. Als de protonen op een bepaalde snelheid zijn gekomen worden de protonen verder versneld in de SPS een grotere ring om ze nog verder te versnellen. Van daaruit gaan ze naar de LHC en worden de protonen verder versneld tot nabij de lichtsnelheid waarna in de detectoren ALICE en andere, deeltjes ontdekt kunnen worden.

De LHC is gebouwd om deeltjes te ontdekken die we nog niet kennen. Met de LHC worden protonen versneld tot 99,9999964 % van de lichtsnelheid, waarna een botsing volgt.
Uit die botsing proberen wetenschappers allerlei informatie te halen door middel van verschillende soorten detectors die om de buis aangebracht zijn.
Aanvankelijk zullen protonen worden versneld en tegen elkaar in, en op elkaar gebotst worden, vanuit beide richtingen met een energie van 3,5 TeV (3,5 Terra-elektronvolt) of 3 x 1012 eV.
eV is een eenheid van energie.
Eén eV is de energieverandering die een vrij deeltje met een lading gelijk aan die van een elektron (de elementaire lading e) ondervindt wanneer het in een elektrisch veld een weg aflegt tussen twee punten die een onderling potentiaalverschil van 1volt hebben.
De LHC is ontworpen om met max 7 TeV te werken.
Later hoopt men ook zwaardere deeltjes zoals loodkernen te kunnen laten botsen.
Het belangrijkste deeltje dat men zoekt is het Higgs-deeltje. Dit boson moet de verklaring geven voor de massa van deeltjes en het fundament van het standaardmodel van de deeltjesfysica vormen.
Het standaardmodel voorspelt dat er bij de energieën die de LHC kan bereiken een mechanisme moet bestaan dat ervoor zorgt dat de energie van bepaalde deeltjes niet naar oneindig zal gaan. Het standaardmodel zelf heeft hiervoor het Higgs-mechanisme. De LHC zal moeten uitmaken of dit daadwerkelijk het mechanisme is of dat andere theorieën hun gelijk gaan krijgen.

botsing

Op bovenstaande afbeelding is een computersimulatie te zien van zo'n botsing die zich op een plaats in de cirkelvormige buis voordoet. Alle lijntjes die onstaan probeert men met uitgebreide analyse een nieuw deeltje te ontdekken.

Neutrino's

Het neutrino is een ongeladen subatomair, elementair deeltje. De meeste neutrino's die de aarde bereiken, zijn afkomstig van de zon. Per seconde wordt elke vierkante centimeter van de ruimte in de nabijheid van de aarde, die loodrecht op de richting van de zonnestralen staat, gepasseerd door 65 miljard zonneneutrino's. Het overgrote merendeel gaat dwars door de aarde en raakt niets, dat is bijna niet voorte stellen. Neutrino's zijn ongeladen en ondergaan uitsluitend de zwakke kernkracht. Daardoor treden ze nauwelijks in wisselwerking met materie en doorkruisen ongehinderd en in grote getale (zo'n driehonderd per kubieke centimeter) het heelal.
In September 2011 zorgden wetenschappers bij CERN voor spektaculair nieuws.
Ze zouden met een experiment hebben aangetoond dat neutrino's sneller dan het licht gaan.In november 2011 hebben ze opnieuw gemeten met dezelfde uitkomsten.
In februari 2012 maakte CERN bekend dat bij deze experimenten een niet goed functionerende oscillator en glasvezelverbinding en mogelijke problemen met GPS plaatsbepaling tot een lagere of hogere uitkomst van de vluchttijd van de neutrino's geleid kunnen hebben.
In ider geval is bevestigd dat de metingen niet juist zijn geweest.

Binnenkort in mei 2012 zullen er weer metingen worden gedaan.

grasso