Updates van de experimenten – LHC-herstart – ATLAS

12 maart 2015

In deze nieuwsserie ‘Updates van de experimenten’ bespreken we de nieuwste ontwikkelingen en verwachtingen van de Nikhef-experimenten in 2015 en verder. De komende weken focussen we ons op de herstart van de LHC en bespreken we de verschillende LHC-experimenten; LHCb, ATLAS en ALICE.

“Higgs is het begin van de ontdekkingsreis, niet het einde”
Het belangrijkste deeltje onder de loep

Na het overweldigende succes van Run 1 heeft ATLAS in Run 2 legio taken, waaronder het uitpluizen van de karakteristieken van het deeltje dat in 2012 gevonden werd: het Higgs-boson. Daar gaat een hogere botsingsenergie van 13 TeV in Run 2 enorm bij helpen. Wouter Verkerke is co-programmaleider van de Nederlandse inbreng bij ATLAS op Nikhef: “Higgs is het begin van de ontdekkingsreis, niet het einde.”

De eerste run van de LHC (2010-2012) was om verschillende redenen een enorm succes: een belangrijk stuk nieuwe natuurkunde werd ontdekt (het higgsdeeltje), de versneller leverde veel meer botsingen dan verwacht en alle experimenten (detector, computing, analyse) werkten uitstekend.

In de bijna twee jaar lange shutdown is gewerkt aan het optimaliseren van de detector voor de hogere botsingsenergie. Verkerke: “Er is in ATLAS een nieuwe binnenste detectorlaag toegevoegd om de startlocatie van ontsnappende deeltjes extra nauwkeurig te kunnen meten. Verder is de uitleeselectronica van de detector verbeterd om de hogere botsingsfrequentie van de LHC in Run 2 te kunnen verwerken. Daarnaast is de keten van reconstructie- en analysesoftware geheel onder handen genomen. Dit gaat om miljoenen regels code.”

Hogere botsingsenergie
Run 2 richt zich enerzijds op het begrijpen van het higgsdeeltje en anderzijds op het ontdekken van nieuwe elementaire deeltjes. Beide worden geholpen door de hogere botsingsenergie van 13 TeV in Run 2 doordat de productiefrequentie van zware deeltjes hierdoor omhoog gaat: Voor het higgsdeeltje is dit ongeveer een factor 3. Voor hypothetisch superzware – maar nog niet ontdekte – deeltjes kan deze factor nog veel verder oplopen, tot wel een factor 100.

Higgs
Verkerke: “Voor het higgsdeeltje gaat het om vragen als: Is het Higgs-boson echt een fundamenteel deeltje of is het opgebouwd uit iets dat we nog niet gezien hebben? Is het ontdekte higgsboson het enige in zijn soort, of zijn er ook andere types?"

Het is goed mogelijk dat de Higgs-sector veel complexer is dan in eerste instantie werd aangenomen. Verkerke: “Dankzij de Higgs kunnen we nu naar een heel ander stuk van de natuur kijken, een stuk waar we tot nu toe nog niet naar hebben kunnen kijken. Met de hogere botsingsenergie schuiven we verderop in de richting van de natuurkunde van de Big Bang en kunnen we door het hogere volume data precisiemetingen doen om de nieuwe Higgs-sector verder in kaart te brengen. En als we erachter komen dat het ontdekte higgsdeeltje niet precies die van het Standaard Model is, dan is er dus nieuwe natuurkunde.”

Super-partners en donkere materie
In Run 2 wordt ook onderzoek gedaan naar donkere materie: waar is het van gemaakt? Verkerke: “Eén theorie richt zich op super-partners van bestaande deeltjes. Als deze theorie klopt, dan worden deze superpartners gemaakt in LHC-botsingen, indien de energie hoog genoeg is. De hogere energie van de LHC zal hier dus bij helpen. De theorie achter super-partners heeft echter ook een andere motivatie: naarmate je naar steeds hogere energieën gaat wordt de theorie van het Standaard Model steeds instabieler, behalve als je bepaalde parameters heel goed op elkaar afregelt en de massa van de bepaalde deeltjes tot op 30 cijfers achter de komma nauwkeurig zou kiezen. Een oplossing daarvoor is supersymmetrie, de theorie die het bestaan van de superpartners voorspelt. Deze theorie ‘zegt’ dat dit min of meer vanzelf gaat en dat je die afregeling niet nodig hebt als die spiegelwereld zou bestaan.”

Verrassingen
“Daarnaast kijken we altijd uit naar verrassingen. Naast de eerdergenoemde supersymmetrie zijn er ook andere theorieën met verklaringen voor tekortkomingen van het Standaard Model. Één voorbeeld is het bestaan van extra ruimtedimensies met zodanig kleine afmetingen dat deze met conventionele metingen niet waarneembaar zijn.  Echter in extreem hoog-energetische processen, zoals LHC-botsingen, kunnen deze extra dimensies zich manifesteren in de vorm van nieuwe deeltjes met bijzondere eigenschappen." 

Octopus
Bijna alles draait echter om Higgs. Verkerke: "Het is niet zomaar een deeltje. Het is een soort octopus die overal ingrijpt in het Standaard Model. Je kunt niks aan de structuur van een theorie veranderen, of een probleem oplossen in een theorie, zonder ook iets met de Higgs te doen. Als bijvoorbeeld de supersymmetrietheorie correct blijkt te zijn, betekent dat ook dat er minstens vijf verschillende soorten higgsdeeltjes bestaan. Daarom kijken we er zo graag naar!”

Meer informatie over de herstart van de LHC

Lees alle ‘Updates van de experimenten’

Meer informatie
Afdeling Wetenschapscommunicatie, e-mail, 020 5925075 / 592 2075