Het Meten van “Subatomaire Deeltjes” • original work • detailed versio n Gerhard Raven ([email protected]) FEW / SAF (SubAtomaire Fysica)
May 13, 2015
Het Meten van “Subatomaire Deeltjes”
• original work
• detailed version
Gerhard Raven ([email protected])FEW / SAF (SubAtomaire Fysica)
Een “Nevel Vat”
Als electrisch geladen deeltjes door de ‘nevel’ vliegen botsen ze met ‘neveldeeltjes’, verliezen energie aan de ‘nevel’ die hierdoor ‘lokaal’ gaat koken waardoor ‘bubbles’ ontstaan
Dwars Doorsnede
Eén van de laatste (en grootste) “Bubble Chambers” uit 1971:
BEBC (Big European Bubble Chamber) @ CERN (Genève, CH)
Gevuld met vloeibaar waterstof @ -259 oC
Supergeleidende magneet (grootste ter wereld in ’71)
Goed voor 6.3M fotos (3000km film!)
Een Bellenvat onder ConstructieEen Bellenvat onder Constructie
3.7m
4m
Opdracht:
Analyseer deze ‘bellenvat’ foto aan de hand van een aantal vragen
Doel:
Het ontdekken van hoede eigenschappen van subatomaire deeltjes gemeten kunnen worden, en aan welke ‘regels’ deze deeltjes zich houden
Dit is een foto van een bellenvat, gevuld met waterstof (i.e. protonen en electronen) waarop een bundel van negatief geladen ‘Kaon’ deeltjes
(a.k.a. K-) wordt geschoten
Uit welke richting komen
deze K- deeltjes?
K-K-K- K-
Het bellenvat bevat waterstof, (i.e. protonen en electronen). In deze foto zie je twee botsingen aangegeven, bij “A” en bij “B”
Welke botsing is met een proton, en welke is met een electron?
Hint: het proton heeft een massa van 2000x de massa van een electron.
A B
K-K-K- K-
p+
e-
Als je goed kijkt, zie jede K- en e- naar links afbuigen en het p+ naar rechts
Dit komt omdat het bellenvat in een magneetveld staat.
Wat is de lading van het donker blauwe deeltje?
Heb je het magneetveld echtnodig om de lading van hetdonker blauwe deeltje te bepalen?
K-
p+
Door de buiging in het magneetveld te meten kunnen we het ‘momentum’ van een geladen deeltje meten:
Hoe minder een deeltje buigt, des te hoger is het ‘momentum’
p mv
Voor het gemak metenwe ‘energie’, ‘massa’ en ‘momentum’ in dezelfde eenheid, gebaseerd op de ‘electronVolt’ (eV)
Een ‘eV’ is de energie dat een electron krijgt als het door een electrisch veld van 1 Volt loopt (1.6 10-19 Joule).
Vervolgens gebruiken we Einstein om te converteren tussen energie, massa en momentum:
Voorbeeld: Een deeltje met een massa van 1 GeV/c2 weegt 1.783 10-27 kg
2 2 4 2 2E m c p c
Intermezzo
-
K-
p+
Door de buiging in het magneetveld te meten kunnen we het ‘momentum’ van een geladen deeltje meten:
Hoe minder een deeltje buigt, des te hoger is het ‘momentum’
p mv
Voor het gemak metenwe ‘energie’, ‘massa’ en ‘momentum’ in dezelfde eenheid, gebaseerd op de ‘electronVolt’ (eV)
Een ‘eV’ is de energie dat een electron krijgt als het door een electrisch veld van 1 Volt loopt (1.6 10-19 Joule).
Vervolgens gebruiken we Einstein om te converteren tussen energie, massa en momentum:
Voorbeeld: Een deeltje met een massa van 1 GeV/c2 weegt 1.783 10-27 kg
2 2 4 2 2E m c p c
Intermezzo
-
K-
p+
-
De ‘inkomende’ deeltjes bij deze
botsing zijn het K- :
en het p+ (dat ‘stil’ stond voor de botsing!):
08.26
0K GeV/cp
000
pp
x
y
0.49K2 GeV/cm
0.94p2 GeV/cm
Bepaal de totale energie (in GeV) voor de botsing met behulp van Einstein’s formule:
Wat is het totale momentum voor de botsing?
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 x y z
E m c p cm c p p p c
K-
p+
De ‘uitgaande’ deeltjes in deze botsing
lijken te zijn een negatief pion (-):
En het p+:
0.747.18
0
GeV/c GeV/cp
0.320.45
0p
GeV/c GeV/cp
x
y
0.14 2 GeV/cm
0.94p2 GeV/cm
-
Bepaal de totale energie (in GeV) na de botsing met behulp van Einstein’s formule:
Wat is het totale momentum na de botsing?
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 x y z
E m c p cm c p p p c
K-
p+
Het lijkt erop dat er zowel ‘energie’ als ‘momentum’ verloren zijn gegaan in deze botsing.
Is dit een probleem?
Zo ja, wat zou de oplossing kunnen zijn?
08.26
0
0.427.63
0
in
out
in
out?
K p
p
GeV/c
GeV/c GeV/c
p p p
p p p
9.21
8.31in
out
in
out?
p
p
K GeV
GeV
E E E
E E E
-
K-
p+
Bepaal de massa van het neutrale deeltje (in GeV/c2) door ‘behoud van energie en momentum’ te eisen
-+
-
K-
p+
Voor gevorderden:
K0
Geef een 2e manier om de massa van het neutrale deeltje te meten
Voor gevorderden:
ietsje meer werk:
Ontdekking van de - in 1964
Samenvatting1. We kunnen het spoor dat electrisch geladen
deeltjes afleggen zien in een bellenvat.
2. We kunnen het momentum van een electrisch geladen deeltje bepalen door te meten hoe het buigt in een magnetisch veld.
3. Bij botsingen zijn momentum en energie behouden.