LHCb

Antimaterie en b-quarks

 

Nikhef is lid van het LHCb-experiment, een van de detectoren bij de Large Hadron Collider (LHC) van CERN in Genève. Nikhef wetenschappers proberen hier samen met internationale collega’s antwoorden te vinden op de vele vragen rondom onder andere materie en antimaterie.

De LHC is een deeltjesversneller: het produceert botsingen tussen protonen met ongekende energie, om in de brokstukken allerlei bekende en onbekende vormen van materie te bestuderen. De brokstukken bestaan uit quarks en leptonen, de elementaire bouwstenen van ons heelal, en hun antimaterie partners.

Hoewel botsingsexperimenten zowel materiedeeltjes als hun anti-materiedeeltjes opleveren, komt in ons universum antimaterie niet in een vergelijkbare hoeveelheid voor. Hoe kan het dat de antimaterie deeltjes zijn verdwenen?

Het LHCb-experiment (de ‘b’ staat voor ‘bottom’) bestudeert dit vraagstuk door precisiemetingen te doen aan het verval van het zogenaamde bottom-quark of b-quark. De detector is tot stand gekomen door een samenwerking tussen 700 wetenschappers van 50 verschillende universiteiten en onderzoeksinstituten in 15 landen.

De meest gangbare theorie over het ontstaan van ons heelal is die van de oerknal. 13,7 miljard jaar geleden ontstond ons heelal vanuit een onmetelijk klein en heet punt, een singulariteit.

Heel kort na de oerknal bestonden er gelijke hoeveelheden materie en antimaterie. Als een deeltje zijn antideeltje ontmoet, vernietigen zij elkaar, resulterend in een flits van energie. Hoe kan het dan dat ons huidige heelal alleen bestaat uit materie? Was er net na de oerknal een mechanisme dat ervoor zorgde dat materie en antimaterie elkaar niet volledig vernietigden? Gelden er andere natuurwetten voor materie dan voor antimaterie? De oplossing is waarschijnlijk te vinden in dat laatste: een minieme asymmetrie tussen deeltjes en hun antideeltjes.

LHCb is ontworpen voor de nauwkeurige identificatie van vervalproducten van instabiele deeltjes en voor de precieze meting van hun sporen. Het bestudeert de minieme verschillen tussen materie en antimaterie gebruikmakend van zogenaamde bottom-quarks en anti-bottom quarks. Dit zijn echt exotische deeltjes, want ze bestaan in ons huidige universum niet meer, en kunnen alleen geproduceerd worden in een uiterst krachtige deeltjesversneller als de LHC.

Vervalt de b-quark altijd op dezelfde manier als het anti b-quark? Vinden zogenaamde verboden b-quark processen misschien toch plaats? Met het LHCb-experiment proberen wetenschappers het mysterie rond materie en antimaterie te ontrafelen. Het uiteindelijke doel is te begrijpen wat er in de  eerste nanoseconde (1 miljardste deel van een seconde) van de oerknal is gebeurd.

Nikhef heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan het ontwerp en de bouw van de VErtex LOcator (VELO) en de Outer Tracker (OT). Deze onderdelen vormen de ruggegraat van de LHCb-detector, ze meten de sporen en vertices van de bottom–vervalproducten. Daarnaast heeft Nikhef software ontwikkeld die de sporen reconstrueert die geladen deeltjes achterlaten. Hiermee worden de instabiele b-vervalsgebeurtenissen online gedetecteerd. Een baanbrekend resultaat, gepubliceerd in Nature, was de ontdekking van het verboden verval van een b-deeltje naar twee muon deeltjes (linken naar persbericht).

Nikhef-onderzoekers werken de komende jaren nauw samen met hun internationale collega’s om de onderzoeksdata verder te analyseren.

Fundamenteel onderzoek 

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 niet 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.

Lees meer over LHCb in het Nikhef-jaarverslag 2015

Lees meer over LHCb in het Nikhef-jaarverslag 2014

Website van de LHCb-onderzoekscollaboratie
Publieksinformatie over LHCb op de CERN website
Website Prof. dr. Marcel Merk, Nikhef-programmaleider LHCb