|
|
|
|
|||||
|
|
||||
|
|
|
|
Vakcode: 141125 |
Vaknaam: Onderwerpen uit de Hoge Energie Fysica |
Trimester: 2/3 |
SP: 3 |
Dit vak wordt aangeboden door de vakgroep: ‘Toegepast Onderzoek der Materie' bij de leerstoel: ‘Lage Temperaturen’ (LT) (secretariaat LT, kamer 4218, tel.3841). Het college wordt gegeven aan de Faculteit Technische Natuurkunde in het 2e en 3e trimester gedurende zes opeenvolgende weken (m.u.v. weken 52 en 53): twee uren (7e en 8e uur) op donderdag (EL/TN B1228) en aansluitend twee uren (3e en 4e uur) op vrijdag (EL/TN1224). In totaal omvat dit 24 collegeuren (aanvang 3 december, week 49). Tijdens het college worden vraagstukken uitgedeeld welke direct betrekking hebben op zowel de gepresenteerde onderwerpen als de aanvullende stof behandeld in het boek van David Griffiths: ‘Introduction to elementary particles’ (John Wiley & Sons, ISBN 0-471-60386-4). De vraagstukken leiden samen met een mondeling tentamen tot een uiteindelijke beoordeling. De docent is wetenschappelijk medewerker aan het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (NIKHEF) in Amsterdam. Stages bij dit instituut en afstudeerwerk vinden over het algemeen plaats in het kader van het ATLAS project, waarvan de docent een van de NIKHEF-projectleiders is. Activiteiten binnen het kader van het ATLAS project vormen de voorbereiding voor de realisatie van een deeltjes detector bij het Europese laboratorium voor elementaire deeltjes fysica, CERN, in Genève, Zwitserland.
De NIKHEF-ATLAS groep neemt deel aan de ATLAS collaboratie ter voorbereiding van een detector voor proton-proton botsingen aan de nieuwe Large Hadron Collider (LHC) van CERN, welke naar verwachting in 2005 in bedrijf komt. De LHC is een ringvormige proton-protonbotser, welke twee protonbundels tot 7 Tera electron Volt (TeV) in tegenovergestelde richting versnelt, vervolgens opslaat en de protonen tot botsing brengt bij een zwaartepuntsenergie van 14 TeV. De botser wordt opgesteld in de 27 km lange ringvormige LEP tunnel op een gemiddelde diepte van 100 m onder de grond. De ATLAS detector is geprojecteerd in een hal rondom de bundelas op deze diepte. Een van de belangrijkste doelstellingen van het experimentele programma is het zoeken in de proton-proton botsingen naar de productie van het Higgs boson dat voorspeld wordt in het zgn. Standaard Model ter verklaring van de massa's van de ijkbosonen in de electrozwakke interactie. Verder kan voor het eerst een nieuw energiegebied geëxploreerd worden, waarin aanwijzingen gevonden kunnen worden voor nieuwe verschijnselen, die samenhangen met unificatie van alle elementaire wisselwerkingen (elektromagnetisme, zwakke interactie (radioactief verval), kernkrachten en gravitatie). De NIKHEF-ATLAS groep bestaat uit wetenschappelijke medewerkers van het instituut in Amsterdam, de NIKHEF groep aan de Universiteit van Nijmegen (KUN), stafleden van de Universiteit van Amsterdam (U.v.A.) en KUN, AIO's, OIO's en studenten van de deelnemende instituten.
Het onderzoeksgebied wordt bepaald door het ontwerp van de ATLAS detector. Deze kan beschreven worden als een opeenvolging van concentrische schillen van subdetectoren rondom het interactiegebied van de twee protonbundels. De binnenste schil bevat de ‘binnenste detector’, welke bestaat uit diverse types spoordetectoren, geplaatst in het solenoidale veld van een supergeleidende magneet met as langs de bundelrichting ter meting van de impuls (energie) van geladen deeltjes afkomstig van bijv. verval van een Higgs boson. De volgende schil bestaat uit ‘calorimeters’, welke de totale energie van geladen en ongeladen vervals- en reactieproducten meten. De laatste schil bestaat uit ‘muonkamers’, welke geplaatst zijn in een toroidaal magneetveld opgewekt door een stelsel van acht supergeleidende spoelen ter meting van de impuls van muonen, welke slechts gering energieverlies in het dichte materiaal van de calorimeters ondergaan en als zodanig geidentificeerd kunnen worden door de grote penetratie door materie. De ATLAS detector heeft een doorsnede van 22 m en een lengte van 46 m. De activiteiten van de NIKHEF-ATLAS groep omvatten de volgende vieronderdelen:
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van specifieke types spoordetectoren voor de ‘binnenste detector’. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen sensoren welke zeer dicht rondom het interactie gebied van de protonbundels geplaatst worden en de detectoren op grotere afstand van de bundels. Dichtbij het interactiegebied, is de dichtheid van (geladen) deeltjes bijzonder hoog zodat hier hogere eisen aan oplossend vermogen en stralingstolerantie gesteld dienen te worden. De groep houdt zich actief bezig met de ontwikkeling van silicon pixeldetectoren waarbij (v.g.l. Charge Coupled Device -CCD- sensoren) de uitleessnelheid, het positie-oplossend vermogen (~15 micrometer) en stralingsbestendigheid bijzonder hoog dienen te zijn. Verder van de bundelas worden silicon stripdetectoren toegepast, zodat m.b.v. een vergelijkbare halfgeleider technologie als voor de pixels, nu echter per vlak slechts een ruimtelijke coördinaat bepaald kan worden. Door meerdere vlakken achter elkaar te plaatsen (onder verschillende hoeken) wordt een twee-dimensionele positiebepaling gerealiseerd. Onder de extreme stralingsomstandigheden dicht bij het interactiegebied neemt de verwachte levensduur van silicon detectoren drastisch af. Onderzoek naar alternatieve sensormaterialen heeft geleid to prototype ontwikkelingen, waarbij silicium vervangen is door kunstmatig gegroeid diamant.
Een tweede zeer belangrijk aspect is het ontwerpen van zeer lichte draagstructuren met zeer hoge mechanische stabiliteit gebaseerd op koolstofvezel materialen. Teveel materiaal geeft aanleiding tot onacceptabel veel Bremsstrahlungverliezen voor hoogenergetische electronen, welke een onnauwkeurige positie- en energiebepaling tot gevolg heeft. Tevens neemt de kans op conversie van fotonen in electron-positronparen toe, welke de meting van de energie van de fotonen in de calorimeter verslechtert.
Tenslotte worden diverse aspecten van de electronica ontwikkeld, zoals geintegreerde analoge- en digitale front-ends voor de controle van de detector en dataverwerking, in de vorm van ‘Application Specific Integrated Circuits’ (ASIC). Deze chips worden direct op de detector gemonteerd en dienen derhalve in een stralingsharde versie uitgevoerd te worden.
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van grote aantallen ‘muonkamers’ van zeer grote afmetingen. De muonkamers bestaan uit 30 mm diameter dunwandige aluminiumbuizen met een centrale anodedraad, welke met een te selecteren gasvulling op overdruk als zogenaamde drift buizen bedreven worden. Een muon (‘zwaar electron’), dat de driftbuis passeert, veroorzaakt een primaire ionisatie. De tijdsduur van de drift van de primaire electronen naar de anode is een maat voor de positie, waarop het muon de buis gepasseerd is.
Het onderzoek richt zich vooral op een nauwkeurige en lichte constructie van grote kamers van ongeveer 3 x 6 meter. De nauwkeurigheid dient groot te zijn om de systematische fout op de plaatsbepaling (< 20 micrometer) en dus van de impulsmeting te minimaliseren. De constructie moet licht zijn om de Coulombverstrooiing van de muonen te beperken, welke anders de nauwkeurigheid van de impulsmeting vermindert. Het NIKHEF heeft een sterke traditie op het gebied van de bouw van grote muondetectoren. Onderzoek wordt gedaan aan de keuze van het gasmengsel in de buizen en aan het operatiepunt voor het driftproces voor de gegeven buisdiameter. Een belangrijk punt is de controle van de alineëring van de gehele muonspectrometer. Dit is een specialisme van het NIKHEF, waar het RASNIK alineëringssysteem ontwikkeld is. Dit systeem bestaat uit een masker met een gecodeerd patroon, dat met infrarood licht belicht wordt, zodat via een lens het patroon afgebeeld wordt op een CCD-camera. De transversale verplaatsing van de lens t.o.v. masker en CCD kunnen met een nauwkeurigheid van 0.5 micron bepaald worden en de longitudinale positie van de lens tussen masker en CCD wordt met een precisie van 50 micron gemeten.
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van een 2e niveau triggersysteem ter selectie van specifieke gebeurtenissen, welke bijv. een Higgs boson bevatten, op basis van de voorspelde eigenschappen van diverse vervalskanalen van het Higgs deeltje. De trigger is een cruciaal onderdeel van elke deeltjes-detector. De analoge en digitale electronische informatie van de subdetectoren wordt op diverse tijdniveaus gebruikt voor de selectie van interessante gebeurtenissen. Hiertoe wordt gebruikgemaakt van de krachtigste processoren, die op de markt verkrijgbaar zijn. De studie van de eigenschappen van zulke processoren en de toepassing daarvan voor het ontwerp en de constructie van een triggersysteem is een geavanceerd specialisme op het NIKHEF.
Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe programmeersystemen voor de simulatie en analyse van specifieke gebeurtenissen in proton-proton botsingen. Voor het ontwerp van de ATLAS detector worden uitgebreide simulaties gemaakt van vele processen, waarin nieuwe deeltjes geproduceerd worden. Deze simulaties spelen ook een belangrijke rol in de beschrijving van de uiteindelijke detector ter bepaling van de acceptantie voor een gemeten proces. De reconstructie van de gemeten gebeurtenissen en de fysica analyse vereisen omvangrijke rekenprogramma's. Hiermee is veel rekentijd gemoeid. Het ontwerp van de software en de keuze van de hardware is dus een belangrijke factor in het opzetten van een efficiënt en economisch systeem. Het NIKHEF speelt een vooraanstaande rol bij dit onderzoek.
Binnen het kader van boven beschreven onderzoeksprogramma heeft de student de keuze een project te kiezen voor een afstudeeropdracht. Gedurende de afstudeerperiode is een bezoek aan het CERN niet uitgesloten. Tevens bestaat de mogelijkheid om mee te werken aan een aantal nieuwe R&D projecten. Een voor beeld is het 'VERTEX'-project, speciaal gericht op technlogische innovaties m.b.t. detectoren dicht bij het botsingspunt van de bundels. Ter ondersteuning van dit project is diverse, specialistische meetapparatuur beschikbaar. De studie kan voortgezet worden met een promotieonderzoek gedurende vier jaren. De student/promovenda/us doet ervaring op in een breed spectrum van activiteiten, in een internationale omgeving, welke haar/hem een goede uitgangspositie op de arbeidsmarkt verschaft
Het wordt aanbevolen minstens een selectie uit de volgende vakken in het keuzepakket (indien niet reeds aanwezig in het afstudeerpakket) op te nemen:
- klassieke mechanica
- voortgezette quantummechanica I, II en III
- electromagnetisme, velden en golven
- relativiteitstheorie
- hoge energie fysica
Verder dient tijdens het afstudeerverblijf een college veldentheorie gevolgd te worden aan de U.v.A. Het volgen van een selectie uit de volgende wiskunde vakken strekt eveneens tot de aanbeveling:
- functionaalanalyse I
- complexe functietheorie
- globale analyse grondslagen II
- partiele differentiaalvergelijkingen
- numerieke oplossingsmethoden
- matrixtheorie
- kansrekening voor EL
Het wordt aanbevolen voor een lange stage deel te nemen aan een van de bovenbeschreven activiteiten bij het NIKHEF in Amsterdam. Het onderzoek omvat tevens het testen van apparatuur in deeltjesbundels op het CERN in Genève. Gedurende de zomermaanden worden speciale cursussen georganiseerd bij het CERN ('Summer student program'). Aanmelding (via de docent) dient vroegtijdig te geschieden (vóór eind januari van datzelfde jaar) !
Degenen, die geinteresseerd zijn in het afstuderen in de Hoge Energie Fysica, kunnen contact opnemen met de docent. Naast de jaarlijkse rondleiding bij het NIKHEF in het kader van de leerstoelvoorlichting, is het aan te bevelen voorafgaand in overleg met de docent een bezoek aan het NIKHEF te brengen. Meer informatie m.b.t. NIKHEF en CERN kan gevonden worden op WWW via de NIKHEF-pagina onder ‘Research Activities’
| Laatste wijziging: 12 January 1999 | email: vaneijk@nikhef.nl |
|
