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 Large Hadron Collider (LHC) is een deeltjesversneller bij het Europees onderzoekscentrum voor deeltjesfysica (CERN), waarin protonen tot zeer hoge energie worden versneld en vervolgens met elkaar in botsing worden gebracht. Door de deeltjes en brokstukken te analyseren die in deze botsingen worden geproduceerd hopen onderzoekers beter te begrijpen hoe de natuur zich gedraagt op deze kleine afstandsschalen. Daarnaast hopen ze aanwijzingen te vinden voor nieuwe fenomenen zoals nog niet geobserveerde natuurkrachten en tot nu toe nog onbekende vormen van materie.
Om dit te bereiken worden duizenden pakketjes, die elk zo’n honderd miljard protonen bevatten, 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’. Elk pakketje heeft ongeveer de dikte van een menselijke haar en is een aantal centimeter lang. Op een aantal plekken in de ring worden de pakketjes sterk samengeknepen en wordt gezorgd dat de in tegengestelde richting vliegende bundels protonen elkaar kruisen. Op die plekken zullen proton-proton botsingen plaatsvinden, waarbij de meeste van de protonen in het pakketje ongestoord verder vliegen, voor nóg een rondje door de tunnel. Op deze manier vinden er wel een miljard botsingen per seconde plaats.
Op de (vier) plaatsen in de ring waar de botsingen plaatsvinden hebben onderzoekers meetsystemen geplaatst die met behulp van verschillende technieken een beeld proberen te vormen van wat er zich precies in de botsing heeft afgespeeld. Ze doen dit door de brokstukken, de deeltjes, die in de botsing gemaakt zijn te classificeren op type deeltje en hun eigenschappen, zoals richting en energie, nauwkeurig te bepalen.
Elk van de experimenten concentreert zich op een aantal specifieke fundamentele vraagstukken in de deeltjesfysica. De twee grootste detectoren, de ATLAS- en CMS-experimenten, zijn zogenaamde ‘general purpose’ deeltjesdetectoren die proberen om een volledig overzicht te krijgen van de botsing. Om gevoelig te zijn voor de verschillende deeltjes die geproduceerd worden in de botsing bestaan deze experimenten uit verschillende detectielagen die als schillen in een ui om elkaar heen liggen. In totaal zijn er zo’n 150 miljoen meetelementen en door zeer snel de informatie uit de verschillende lagen met elkaar te combineren lukt het om een nauwkeurige ‘foto’ van de botsing te maken. De interessante foto’s worden vervolgens opgeslagen om later geanalyseerd te worden en dat resulteert in een flink aantal petabytes aan meetgegevens per jaar (een petabyte is duizend terabyte; een terabyte is duizend gigabyte). Een schat aan gegevens.
Wetenschappers van de ATLAS-collaboratie proberen de natuur op kleine afstandsschalen beter te begrijpen en zijn op zoek naar antwoorden op de open vragen in de deeltjesfysica. Een aantal voorbeelden van onderzoeksgebieden waarbij ook Nikhef-wetenschappers betrokken zijn, zijn:
– Het higgsdeeltje: jarenlang is gezocht naar dit 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 higgsdeeltje aangetoond door ATLAS en CMS (lees het officiële persbericht), en nadat het voldoende bestudeerd was om vast te stellen dat het inderdaad de voor een higgsdeeltje vereiste eigenschappen had, werd in 2013 de Nobelprijs voor de natuurkunde toegekend aan de bedenkers van dit mechanisme. Nikhef-onderzoekers hebben een belangrijke bijdrage geleverd, zowel aan de ontdekking ervan als in het bepalen van die eigenschappen. Nu het bestaan van het higgsdeeltje is aangetoond is het doel verplaatst naar het in meer detail in kaart brengen van de eigenschappen van dit deeltje dat zo’n bijzondere en centrale plek inneemt. Nikhef-onderzoekers richten zich de komende jaren op verschillende aspecten zoals de vraag of het higgsdeeltje ook aan deeltjes van de tweede generatie koppelt (c-quarks en muonen) en het meten van de levensduur van het higgsdeeltje. Daarnaast gaan we kijken óf en zo ja hoe het higgsdeeltje aan zichzelf koppelt en gebruiken we onze expertise om metingen van eigenschappen van het higgsdeeltje te combineren om zo op zoek te gaan naar de kleine afwijkingen ten opzichte van de voorspellingen die Peter Higgs deed in 1964.
– Op zoek naar nieuwe deeltjes en nieuwe fenomenen: hoewel het standaardmodel bijna alle metingen beschrijft weten we nu al dat het niet de uiteindelijke theoretische basis is die de natuur beschrijft. Er zijn te veel open fundamentele vragen en ook voor een aantal patronen is er geen duidelijke onderliggende verklaring. Een bekend voorbeeld is de zogenaamde ‘donkere materie’. Door waarnemingen uit het heelal weten we dat het moet bestaan en dat het geen elementair deeltje is dat in het standaardmodel past. Er zijn verschillende ideeën die het bestaan van dit soort deeltjes voorspellen, maar uiteindelijk kan alleen het experiment laten zien of deze donkere materie uit deeltjes bestaat en welke van deze ideeën het bij het juiste eind heeft. Naast donkere materie worden er nog meer voorspellingen gedaan voor het bestaan van nieuwe fenomenen of nieuwe deeltjes zoals nieuwe krachtdeeltjes, supersymmetrische deeltjes, extra Higgsdeeltjes en vele andere. Verschillende (internationale) teams van onderzoekers zijn dan ook in de data op zoek naar aanwijzingen voor het bestaan van deze deeltjes. Ook vanuit Nikhef.
– Precisiemetingen: Naast de zoektocht naar nieuwe deeltjes en nieuwe fenomenen levert de LHC ook een schat aan informatie over het standaardmodel zelf. De ongekende hoeveelheid botsingen en de kracht van de meetapparatuur zorgt ervoor dat we met veel grotere precisie dan hiervoor de eigenschappen van de deeltjes zelf in kaart kunnen brengen. Zo kunnen we de metingen vergelijken met de nauwkeurige voorspellingen vanuit het standaardmodel. Als metingen laten zien dat (de relatie tussen) verschillende eigenschappen niet is zoals voorspeld dan zou dat een aanwijzing kunnen zijn voor de bijdrage van nieuwe natuurkrachten of nieuwe deeltjes; een wereld buiten het standaardmodel. Op Nikhef is men bijvoorbeeld druk bezig om de eigenschappen van het zwaarste elementaire deeltje, het top-quark, te onderzoeken. Hoe zwaar is het en hoe valt het precies uit elkaar?
ATLAS en de LHC zijn gebouwd door een grote internationale gemeenschap van wetenschappers en engineers. Ook Nederlandse wetenschappers en engineers spelen hierin een belangrijke rol:
– Muon-detectoren: een van de deeltjes die vrij ongestoord de botsing verlaten zijn zogenaamde muondeeltjes. Ze worden in grote hoeveelheden geproduceerd bij de botsingen van protonen in de LHC en ze leveren belangrijke informatie over de botsing. Met behulp van speciale detectoren is het mogelijk om ze te herkennen. Onderdelen van deze zogenaamde muonspectrometer, de buitenste laag van de ATLAS-detector, zijn op Nikhef ontworpen, gebouwd en getest, waarna ze in ATLAS werden geïnstalleerd.
– Ook de Semi Conducting Tracker (SCT), een detector in het hart van de ATLAS-detector, is op Nikhef ontworpen, gebouwd en getest. Dit onderdeel is essentieel voor het volgen van de sporen die elektrisch geladen deeltjes afleggen door de detector. Het bestaat uit 1000 sensoren met ieder 1500 kanalen. Op Nikhef is een van de ‘endcaps’, het deel van de SCT dat zich in de voorwaartse richting bevindt, geassembleerd en getest.
– Nikhef heeft ook onderdelen van de elektronische modules van het activatie- en data-acquisitiesysteem ontworpen, dat de detectoren uitleest en beslist welke van de miljard botsingen per seconde permanent worden opgeslagen.
– Bij het interpreteren van de gedetecteerde signalen spelen Nederlandse onderzoekers ook een belangrijke rol. Bijvoorbeeld bij het herkennen van muondeeltjes, de identificatie van de sporen die b-quarks achterlaten, maar ook bij het ontwikkelen van het analyseframework dat wordt gebruikt om de individuele higgsmetingen te combineren tot één resultaat spelen Nikhef-onderzoekers een centrale rol.
Over een aantal jaar zal de Large Hadron Collider een stap maken in het aantal botsingen dat er per seconde geproduceerd wordt. Meer botsingen stellen de onderzoekers in staat op zoek te gaan naar nog zeldzamere processen; botsingen en fenomenen waarvan de aanwijzingen in de eerste periode van de LHC nog te zwak waren om te herkennen. Uit computersimulaties weten we al dat de huidige ATLAS-detector niet in staat is al deze botsingen te reconstrueren. Om dit te ondervangen zal over een paar jaar een aantal onderdelen van de ATLAS-detector vervangen worden. Nikhef draagt ook daar haar steentje bij en samen met de technische afdelingen op Nikhef wordt meegewerkt aan een aantal projecten:
– De ITK, een nieuwe sporendetector: om beter om te gaan met de grote hoeveelheid geladen deeltjes is er een nieuwe detector nodig om de sporen daarvan goed te meten en van elkaar te onderscheiden. Net als bij de oorspronkelijke detector zal een van de end-caps (de detector in de voorwaartse richting) op Nikhef ontworpen, gebouwd en getest worden. Dit gebeurt onder leiding van projectleider Marcel Vreeswijk.
– De elektronica: om nog sneller en meer data te verwerken is er ook nieuwe (digitale) elektronica nodig. Nederlandse onderzoekers werken aan dit project onder leiding van projectleiders Jos Vermeulen en Antonio Pellegrino.
– Uitlijnen muondetectoren: om het pad van muonen, de zwaardere variant van het beroemde elektron, met hoge precisie door de detector te volgen is het belangrijk om de positie van de muondetectoren te volgend in de tijd. De techniek die we hiervoor gebruiken (RasNik) is op Nikhef ontwikkeld. En hoewel we ook voor de toekomst dezelfde techniek blijven gebruiken zal een aantal van de onderdelen vervangen moeten worden. Dit gebeurt onder leiding van projectleider Tristan du Pree.
Het onderzoek in de deeltjesfysica is een goed voorbeeld van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Aan de basis van dit type onderzoek staan nieuwsgierigheid naar hoe de wereld om ons heen in elkaar zit en de vraag hoe het is ontstaan. Veel weten we al, bijvoorbeeld dat alle materie opgebouwd is uit atomen, en dat de protonen en neutronen die de bestanddelen van de kernen van die atomen vormen zelf ook niet elementair zijn, maar er zijn ook nog heel veel open vragen.
Hoewel fundamenteel onderzoek niet gericht is op korte-termijn toepassingen leert de geschiedenis dat de fundamentele kennis van vandaag de voedingsbodem is voor de ontdekkingen van morgen. Dit geldt zowel voor inzichten in de wetenschap zelf als toepassingen daarbuiten. En niemand kan voorspellen welke baanbrekende toepassingen op termijn uit dit onderzoek zullen voortkomen.
