ATLAS
Op jacht naar het Higgsdeeltje
Mobiele telefonie, televisie en radio funktioneren bij gratie van elektromagnetische golven die storingsvrij enorme afstanden kunnen overbruggen. Het bestaan van deze golven volgde uit de theorie van Maxwell. In 1865 liet Maxwell zien dat aan elektrische en magnetische verschijnselen, die tot op dat moment als volstrekt onafhankelijk werden beschouwd, één en dezelfde elektromagnetische kracht ten grondslag ligt. Elektromagnetische golven zijn als het ware de dragers van deze kracht. In 1887 toonde Hertz het bestaan van elektromagnetische golven aan en een tiental jaar later slaagde Marconi er in de golven te gebruiken voor het draadloos versturen van signalen over lange afstanden. De quantumtheorie leerde ons dat de oneindige dracht van de elektromagnetische golven in vacuüm het bestaan van een massaloos deeltje impliceert: het foton.
Beroemde fysici hebben vervolgens gepoogd om ook de andere bekende krachten (de zwakke en sterke kernkracht en de zwaartekracht) met de elektromagnetische kracht onder één noemer te brengen. Glashow, Weinberg en Salam zijn tot nu toe de enige die hierin voor een deel geslaagd zijn. In 1968 formuleerden zij één theorie voor de elektromagnetische en de zwakke kernkracht: de theorie van de elektro- zwakke wisselwerking.
(2) Het door de theorie voorspelde verval van een Higgsdeeltje is hier met behulp van een computersimulatie weergegeven. De vier rechte groen gestippelde sporen horen bij muonen die onstaan in het stapsgewijze verval van de Higgs.
Behalve het massaloze foton voorspelde hun theorie twee erg zware deeltjes: het W- en het Z-deeltje. Zij zijn zwaar omdat de dracht van de zwakke kernkracht ongelooflijk kort is. Het feit dat deze deeltjes wel massa hebben terwijl het foton massaloos is, vormt een cruciaal punt in het model. Het kan verklaard worden door aan te nemen dat het 'niets' gevuld is met iets dat fysici het Higgsveld noemen. Met dit Higgsveld kunnen ook de massa's van bijvoorbeeld elektronen en quarks - de bouwstenen van alle materie - verklaard worden. Het is te vergelijken met het roeren in respectievelijk een kopje thee en een kopje stroop. In het laatste geval gaat het roeren moeilijk; het lijkt net alsof het lepeltje zwaarder geworden is. Het Higgsveld werkt net zo: het koppelt zwak aan het elektron, sterker aan het muon (een 200 maal zo zware kopie van het elektron) en nog sterker aan het tau-deeltje (een 3600 maal zo zware kopie) en ditzelfde geldt voor quarks.
(3) Het Higgsverval uit figuur twee, zoals de muonspektrometer het zou registreren. Steeds worden drie muonspoorsegmenten gemeten.
Deeltjesfysici zijn nu op zoek naar het bij het Higgsveld behorende Higgsdeeltje en daarvoor zullen zij de LHC proton-protonbotsingsmachine gebruiken die in 2005 operationeel wordt. Het ATLAS-experiment bij de LHC-versneller is helemaal geoptimaliseerd voor de speurtocht (figuur 1). De meeste kans op ontdekking biedt het stapsgewijze verval van een Higgsdeeltje naar vier elektronen, naar vier muonen of naar een elektron- en een muonpaar (figuur 2). Het aantonen van het Higgsdeeltje via zo'n verval is een geweldige opgave: in LHC zullen zo'n 400.000.000 proton- proton botsingen per sekonde plaatsvinden maar per jaar zullen daarin slechts tussen de 10 en 100 Higgsdeeltjes geproduceerd worden!
(4) Een op NIKHEF gebouwd prototype van de dradenkamer die in de muonspektrometer van ATLAS gebruikt zal worden.
Het verval van een Higgsdeeltje naar vier muonen is het eenvoudigst te vinden. Dit komt doordat muonen gemakkelijk geïdentificeerd kunnen worden; in tegenstelling tot de meeste andere deeltjes schieten zij ongehinderd door dikke lagen materiaal heen en bereiken de buitenste 'schil' van ATLAS. Hier wordt hun baan afgebogen in een magneetveld. In de muonspektrometer, die uit drie lagen met dradenkamers bestaat, wordt vervolgens de kromming van elk muonspoor gemeten (figuur 3). Hieruit wordt de energie van ieder muon afgeleid. Om de flauwe kromming voldoende precies te kunnen meten, zijn hoge eisen aan de instrumentatie gesteld. Speciale dradenkamers zijn ontwikkeld op ondermeer het NIKHEF waar ook het grootste prototype van zo'n kamer is gebouwd (figuur 4). Op het NIKHEF werd bovendien het innovatieve RASNIK-uitlijnsysteem ontwikkeld waarmee de posities van de verschillende dradenkamers ten opzichte van elkaar voortdurend gemeten zullen worden (figuur 5). Voor de reconstructie van sporen is het een vereiste dat deze posities tot op tien micrometer nauwkeurig bekend zijn.
(5a) De drie komponenten van het RASNIK-uitlijnsysteem: een lichtbron - gedeeltelijk afgeschermd door een masker, een lens en een CCD-camera die de lichtsterkte meet in ongeveer vierhonderdduizend pixels.
Naast de mogelijke ontdekking van het Higgsdeeltje bieden LHC en het ATLAS-experiment overigens nog andere fascinerende ontdekkingsmogelijkheden zoals CP-schending en supersymmetrie. En in een verder weggelegen toekomst weet een 'nieuwe' Marconi ongetwijfeld opnieuw iets leuks te doen met de eventuele LHC-ontdekkingen!
(5b) Het masker gezien door de CCD-camera. Zodra het lichtvlak iets verschuift, veranderen de signaalsterktes in de pixels. Hieruit kan uiterst nauwkeurig bepaald worden hoeveel de lichtbron of de lens is verplaatst ten opzichte van de camera. Door masker, lens en camera op verschillende dradenkamers te monteren, kunnen de relatieve posities van deze kamers worden vastgesteld met een nauwkeurigheid van 1 micrometer.
Terug naar de index.