Het proton is een van de bouwstenen van alle materie, maar de bouw ervan is nog steeds niet goed begrepen. Nikhef-fysicus Juan Rojo gaat met een uitbreiding van een bestaand experiment op CERN op zoek naar de binnenwereld van het proton.
Rojo, theoretisch fysicus aan de VU en Nikhef, krijgt een ERC Advanced Grant van 2,5 miljoen euro voor het project UNICORN. Dat gaat protonen doorlichten met neutrino’s die iets verderop ontstaan bij protonenbotsingen in de LHC-versneller op CERN.
Neutrino’s zijn vrijwel massaloze deeltjes die vrijwel geen interactie met materie hebben en daar dwars doorheen kunnen vliegen. Bij protonbotsingen in een versneller als de LHC ontstaan ze vooral in de bewegingsrichtingen van de botsende protonen.
Het project betekent een uitbreiding van het al bestaande FASER-experiment, dat neutrino’s meet die vrijkomen bij protonbotsingen in de ATLAS-detctor. Nikhef is zijdelings betrokken bij FASER, bijvoorbeeld door werk van ATLAS-fysicus Lydia Brenner.
FASER maakt sinds 2023 gebruik van de flauwe bocht van de 27 kilometer grote LHC-versneller. Vrijkomende neutrino’s hebben een pad recht vooruit, waardoor ze net naast de versnellertunnel kunnen worden gemeten.
Bij FASER gaat het om het bestuderen van de eigenschappen van neutrino’s zelf. In het voorgestelde UNICORN-project worden de neutrino’s gebruikt om de eigenschappen van protonen te bestuderen.
Grofweg is bekend dat het proton bestaat uit drie quarks (up, up, down) die door gluonen bij elkaar gehouden worden. In het proton gelden echter quantumwetten, die toestaan dat er ook anti-quarks en exotische zwaardere quarks kortstondig opduiken. Dit leidt tot gecompliceerde theoretische modellen voor het proton, waarin bijvoorbeeld gluonen eventueel zelfs een bepalende rol kunnen hebben.
Rojo is een specialist in de sterke wisselwerking die het domein van de kerndeeltjes beschrijft. Met bundels neutrino’s uit de LHC zijn metingen van de protonstructuur mogelijk, die de theorie beter richting kunnen geven. “We willen FASER ombouwen tot een precisie-microscoop voor het proton”, zegt hij. Bij de data-analyses zal nadrukkelijk kunstmatige intelligentie worden ingezet.
De inzichten die dat oplevert, kunnen bijvoorbeeld van belang zijn voor het begrijpen van kosmische straling en kosmische neutrino’s. Een beter begrip van het proton verbetert ook de analyses van experimenten met proton-botsingen zoals in de LHC en zijn intensere opvolger HL-LHC. Daarbij worden de eigenschappen van het higgsdeeltje in detail bestudeerd, en gezocht naar nog onbekende deeltjes.
