ATLAS

Higgs, supersymmetrie en donkere materie

 

Het ontstaan van higgsdeeltjes en donkere materie

Nikhef is lid van het ATLAS-experiment, een van de detectoren bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Genève. Ruim 3000 wetenschappers proberen antwoorden te vinden op vragen omtrent nieuwe deeltjes die ontstaan bij botsingen met hoge energieën (waaronder het higgsdeeltje) en donkere materie.

Het ATLAS-experiment is een van de detectoren bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Genève. Deze deeltjesversneller LHC produceert botsingen tussen protonen met ongekende energie, in de hoop en verwachting dat er in de brokstukken nieuwe vormen van materie geproduceerd zullen worden. Daartoe worden honderden pakketjes met elk miljarden protonen in een cirkelvormige ring van 27 km omtrek met vrijwel de lichtsnelheid rondgeschoten. De ene helft van de pakketjes gaat met ‘de klok mee’ in de ring, en de andere helft ‘tegen de klok in’, zodat ze elkaar doorkruisen. Elk pakketje heeft ongeveer de dikte van een menselijke haar en is een aantal centimeter lang. Op de plaatsen waar de pakketjes elkaar doorkruisen ontstaan botsingen tussen een proton van het ene met een proton van het andere pakketje, en de rest van de pakketjes schiet door voor de volgende ronde. Uiteindelijk wordt op deze manier een zeer groot aantal botsingen geproduceerd.

De ATLAS-detector is in staat deze botsingen met grote precisie en hoge snelheid waar te nemen. De detector, ongeveer zo groot als het Paleis op de Dam, bestaat uit een aantal onderdelen die als uienschillen om de botsing heen zijn geplaatst. De meetgegevens worden elektronisch verzameld en op deze manier wordt een nauwkeurige foto van de botsing gemaakt. De verschillende onderdelen hebben in totaal ongeveer 150 miljoen elektronische kanalen – en ATLAS produceert een flink aantal petabytes aan meetgegevens per jaar (een petabyte is duizend terabyte – een terabyte is duizend gigabyte). De ATLAS-detector is tot stand gekomen door samenwerking van ongeveer 3000 wetenschappers over de hele wereld.

Met name wordt antwoord gezocht op de volgende vragen:
1.  In juli 2012 is het bestaan van het Higgs-boson aangetoond door ATLAS en CMS. Wat zijn de eigenschappen ervan? Wat betekent deze ontdekking voor het standaardmodel?
2.  Vele theoretici voorspellen het bestaan van nog een groot aantal nieuwe deeltjes. Bestaan deze ook daadwerkelijk?
3.  Waarnemingen in het heelal laten zien dat er iets als ‘donkere materie’ moet bestaan. Wat is ‘donkere materie’; zijn dit elementaire deeltjes en is de LHC in staat deze deeltjes te produceren?

Nikhef heeft aan de ontwikkeling van ATLAS op verschillende manieren bijgedragen. Onderdelen van de muon-spectrometer, de buitenste laag van ATLAS, zijn op Nikhef ontworpen, gebouwd en getest, en deze onderdelen zijn in ATLAS geïnstalleerd. Hetzelfde geldt voor de assemblage van de Semi Conducting Tracker, een onderdeel in het hart van ATLAS. Ook heeft Nikhef aan groot aantal bijdragen geleverd aan het verwerken van de enorme stroom meetgegevens.

Vanaf maart 2010 werden de eerste hoog-energetische botsingen gemaakt en geregistreerd. In juli 2012 werden door CERN resultaten gepresenteerd van de zoektocht naar het Higgs-boson. Beide experimenten observeerden een nieuw deeltje in het massagebied rond 125-126 GeV dat in overeenstemming lijkt met het Higgs-boson.

Nikhef heeft voor het ATLAS-experiment op alle gebieden belangrijke bijdragen geleverd. De Nederlandse bijdrage bestaat uit: hardware (o.a. ontwerp en bouw van belangrijke onderdelen van de ATLAS-detector), computing (Tier-1 LHC computing centrum), software (o.a. verbetering van de identificatie van muonen), analyse van de meetresultaten (zie ook vervalkanalen) en de statistische combinatie van de verschillende datasamples.

Higgs zelf zal nooit waargenomen worden, maar alleen de deeltjes waarin het uiteenvalt (vervalkanalen). Nikhef werkt aan de analyse van twee van de drie Higgs-vervalkanalen:

  • Twee Z-deeltjes, die weer vervallen in elektronen of muonen. In het Z-kanaal zit zeer weinig achtergrond, wat gunstig is.
  • Twee W-deeltjes, die weer vervallen in elektronen of muonen en twee neutrino’s. Dit kanaal is experimenteel veel moeilijker, omdat neutrino’s onzichtbaar zijn.
  • In het derde vervalkanaal vervalt het higgsdeeltje in twee fotonen.

Onderzoekers op Nikhef zijn de hoofdontwikkelaars van het analyse-framework dat wordt gebruikt om de individuele Higgs-metingen te combineren tot één resultaat.

De onderzoeksvragen bij ATLAS richten zich op het standaardmodel van elementaire deeltjes (het model dat ons begrip van de elementaire deeltjes en hun onderlinge krachten samenvat), en op uitbreidingen daarvan. Elk van deze vragen zijn fundamenteel en wordt gedreven door nieuwsgierigheid. Natuurlijk zal het vinden van een antwoord op een van deze vragen uiteindelijk technologische implicaties hebben – maar dat is niet de drijfveer voor deze wetenschappelijke onderneming.

Programmaleiders ATLAS