ATLAS

Higgs, supersymmetrie en donkere materie

 

Nikhef is lid van het ATLAS-experiment, een van de detectoren bij de Large Hadron Collider (LHC) van CERN in Genève. Ruim 3000 wetenschappers doen hier onderzoek naar elementaire deeltjes, zoals het Higgs-deeltje, en zoeken naar antwoorden op vragen over donkere materie.

 

 

De LHC is een deeltjesversneller: het produceert botsingen tussen protonen met ongekende energie die daardoor in brokstukken uiteenspatten. Door deze brokstukken te analyseren, hopen onderzoekers nog onbekende vormen van materie te ontdekken.

Daartoe worden honderden pakketjes met elk miljarden protonen in een 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 en een proton van het andere pakketje, terwijl de rest van de pakketjes doorschiet voor de volgende ronde. Uiteindelijk wordt op deze manier een zeer groot aantal botsingen geproduceerd.

De LHC is voorzien van verschillende meetsystemen, experimenten geheten, die ieder met eigen technieken naar verschillende gegevens zoeken in de fragmenten die door de botsingen vrijkomen, en die zich ieder op verschillende fundamentele vraagstukken concentreren. Twee ervan, ATLAS en CMS, zijn general purpose deeltjesdetectoren. De ATLAS-detector is ontworpen om de 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. ATLAS produceert een flink aantal petabytes aan meetgegevens per jaar (een petabyte is duizend terabyte; een terabyte is duizend gigabyte). Deze data worden verzameld met behulp van zo’n 150 miljoen elektronische kanalen

Wetenschappers van de ATLAS-collaboratie zoeken naar antwoorden op de volgende vragen:

  • Jarenlang is gezocht naar een ontbrekend deeltje om het standaardmodel van de deeltjesfysica (het model dat ons begrip van de elementaire deeltjes en hun onderlinge krachten samenvat) compleet te maken. In juli 2012 werd het bestaan van het Higgs-boson aangetoond door ATLAS en CMS (lees het officiële persbericht). Nu het bestaan van het Higgs-boson is bewezen, blijven er veel vragen over, zoals: Wat zijn de eigenschappen van dit deeltje? Wat betekent deze ontdekking voor het standaardmodel?
  • Vele theoretici voorspellen het bestaan van nog een groot aantal nieuwe deeltjes. Bestaan deze ook daadwerkelijk?
  • Waarnemingen in het heelal laten zien dat er iets als “donkere materie” moet bestaan. Een van de theorieën is dat een groot deel van het heelal uit deze mysterieuze materie bestaat, die niet rechtstreeks te detecteren valt. Wat is “donkere materie”? Bestaat het uit elementaire deeltjes en is de LHC in staat deze deeltjes te produceren?

Wat is de rol van Nikhef?

ATLAS en de LHC zijn gebouwd door een grote internationale gemeenschap van wetenschappers. Ook Nederlandse wetenschappers spelen hierin een belangrijke rol:

  • Muonen zijn deeltjes die grote hoeveelheden worden geproduceerd bij de botsingen van protonen in de LHC. De centrale deeltjesdetectorsysteem van ATLAS neemt ze echter niet waar. Daarom is een speciale muonspectrometer gebouwd. Onderdelen van deze spectrometer, de buitenste laag van ATLAS, zijn door Nikhef ontworpen, gebouwd en getest waarna ze in ATLAS werden geïnstalleerd.
  • Ook de Semi Conducting Tracker (SCT) is door Nikhef ontworpen, gebouwd en getest. Dit onderdeel in het hart van ATLAS is essentieel voor de detectie van de brokstokken die ontstaan bij de botsingen. Het bestaat uit 1000 sensoren met ieder 1500 kanalen.
  • Nikhef heeft enkele elektronische modules van het activatie- en data-acquisitiesysteem ontworpen, dat de detectoren uitleest en beslist welke van de 40 miljoen botsingen per seconde op de harde schijf worden opgeslagen.
  • Nikhef heeft daarnaast sterk bijgedragen aan het verwerken van de enorme stroom meetgegevens.
  • Op het gebied van de software speelde Nikhef een belangrijke rol in de muonreconstructie en in de identificatie van de sporen die b-quarks achterlaten.
  • Onderzoekers van Nikhef zijn tot slot de hoofdontwikkelaars van het analyseframework dat wordt gebruikt om de individuele Higgs-metingen te combineren tot één resultaat.

 

Dit onderzoek is een goed voorbeeld van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, gericht op het vergaren van basiskennis over alles om ons heen. Aan de basis van dit type onderzoek staat nieuwsgierigheid naar hoe de wereld om ons heen in elkaar zit en hoe het is ontstaan. Veel weten we al, bijvoorbeeld dat alle materie opgebouwd is uit atomen, maar er zijn ook nog veel open vragen.

Fundamenteel onderzoek is er niet op gericht om op korte termijn toepassingen te realiseren. Toch is één ding zeker: niemand kan voorspellen welke baanbrekende toepassingen op termijn uit het onderzoek zullen voortkomen. De geschiedenis leert dat de fundamentele kennis van vandaag de voedingsbodem is voor de ontdekkingen van morgen.

Programmaleiders ATLAS