De komende jaren wordt de LHC-versneller op CERN herbouwd tot een tienmaal zo felle deeltjesfabriek. Welke natuurkunde wordt daarmee mogelijk? Deel 2 van een zomerserie over het werk aan HiLumi LHC.
Het is, zegt een CERN-technicus in een van de vele promofilmpjes die gemaakt zijn voor de high luminosity LHC-versneller, alsof je in de huiskamer de lamp van 50 watt vervangt door een van 500 watt. “Met veel meer licht zie je veel meer.”
Met de lopende upgrade van de LHC naar een high-luminosity LHC hebben fysici over drie jaar een tienmaal fellere LHC. Dat betekent tienmaal meer meetgegevens om bestaande theorie te checken en te speuren naar nog onontdekte details en eventuele nieuwe deeltjes.
Zowel de twee grote detectoren op CERN: ATLAS en CMS hebben hun fysische verwachtingen van de HiLumi LHC beschreven voor de recente European Strategy Update. HiLumi LHC belooft een breed scala aan nieuwe fysica, is de hoofdboodschap. De fysica van het higgsdeeltje blijft het hoofddoel van het HiLumi programma.
Het deeltje werd in 2012 ontdekt op CERN, als bewijs voor het bestaan van een veld dat deeltjs hun massa geeft. Maar over het deeltje zelf bestaan nog talloze fundamentele vragen. Over de hele levensduur levert de HiLumi LHC naar schatting 380 miljoen higgsdeeltjes voor bestudering in ATLAS en CMS.
Die datarijkdom is genoeg om bijzondere maar extreem zeldzame vervallen van higgs naar muonen of naar Z-deeltjes relatief scherp in beeld te krijgen. Veel betere statistiek wordt ook verwacht in de metingen van koppelingen van het higgsdeeltje met andere elementaire deeltjes uit het Standaardmodel, met onzekerheden van maar ongeveer een procent voor W en Z bosonen, fotonen, gluonen, tau deeltjes en de top-quark.
Niet langer zijn experimentele meetfouten de beperkende factor, verwachten ATLAS en CMS; het zijn de theoretische onzekerheden die analyses beperken. De verwachting is ook dat de overvloed aan higgsdeeltjes uit de HiLumi LHC een beter beeld gaat geven van de higgs-zelfkoppeling, de mate waarin higgsdeeltjes elkaar voelen.
Dat is te bestuderen via protonprotonbotsingen waarbij tegelijk twee higgsdeeltjes ontstaan, de di-higgs events. In de LHC werden daarvoor al voorzichtige aanwijzingen gezien, maar de verwachting is dat HiLumi LHC hard bewijs (een solide 7 sigma zekerheid) kan leveren voor di-higgs. De stroom events maakt het mogelijk om het preciezer te bestuderen.
Zelfs het gelijktijdige ontstaan van drie higgsdeeltjes bij botsingen wordt met redelijk grote precisie zichtbaar in de overvloed aan meetgegevens van de HiLumi LHC, is de verwachting. Zulke extreem zeldzame gebeurtenissen geven belangrijke aanwijzingen over de higgspotentiaal, de wiskundige vorm van het higgsveld dat deeltjes massa geeft.
Daarvoor wordt in het standaardmodel de eenvoudigste versie aangenomen, vaak geschetst als een Mexicaanse hoed. Afwijkingen van die simpele vorm kunnen grote gevolgen hebben voor de deeltjestheorie en zelf voor de kosmologie.
Daarnaast kan met meer higgsdeeltjes de breedte van de higgspotentiaal veel preciezer worden bepaald, die een meer exacte maat geeft voor de extreem korte levensduur van het deeltje (in de orde van 10^-22 seconde).
Protonbotsingen leveren veel meer dan alleen higgsdeeltjes op. Metingen van de interacties tussen geproduceerde W- en Z-bosonen gaan bijvoorbeeld voor het eerst directe test opleveren voor het higgsmechanisme, dat beschrijft hoe een universeel veld de elementaire deeltjes in het Standaardmodel hun specifieke massa geeft.
Het higgsdeeltje is daarvan een uiting, maar het massamechanisme zelf is nog onbewezen. Met de gegevens uit de HiLumi LHC kunnen fysici ook op zoek naar extreem zeldzame deeltjesprocessen met top-quarks, de zwaarste quarks in het Standaardmodel.
Met name processen met vier top-quarks en met een top, een Z-deeltje en een anti-top hebben de belangstelling van theoretici, omdat die gevoelig bijzonder zijn voor eventuele onbekende nieuwe deeltjes. Die zijn te zwaar om rechtstreeks te vinden, maar hebben soms al wel invloed op meetbare processen. In een aantal programma’s speuren ATLAS en CMS voortdurend naar aanwijzingen voor nog onbekende deeltjes en krachten.
In een aantal gevallen zal daarvoor een combinatie nodig zijn van de data van ATLAS en van CMS, in principe twee onafhankelijke experimenten bij de CERN-versneller.
De metingen met de intense bundels van de HiLumi LHC kunnen volgens het rapport voor de European Strategy ook een test opleveren voor theorieën over het vroege heelal en de vorming van materie in die fase. De vorming van materie kan begonnen zijn met een fase-overgang, maar dat past niet bij de relatief grote massa van het higgsboson. Nieuwe data kunnen theorieën testen voor zulke fase-overgangen, is de verwachting.
De HiLumi LHC, is de verwachting, levert met zijn statistische precisie een nieuw hoofdstuk in de deeltjesfysica. Wat de fellere CERN-versneller niet gaat leveren is hogere botsingsenergie. Die blijft net als in de LHC maximaal 14 TeV, een record maar toch ook een beperking in de speurtocht naar zwaardere deeltjes. Daarbij blijft wel steeds een belemmering dat het hele fysicaprogramma van HiLumi LHC net als in de LHC berust op botsende protonen, samengestelde deeltjes die onvermijdelijk rommeliger botsingen geven dan puntdeeltjes als elektronen. Pas als CERN inderdaad de voorgenomen FCC elektronenversneller bouwt, kan de deeltjeswereld bij hogere energie direct worden bestudeerd.
Volgende week: Wat betekent de HiLumi LHC voor Nikhef?
Eerdere afleveringen: (1) De CERN-versneller kan nog tienmaal beter
