De Large Hadron Collider: het leven na Higgs
Met de vondst van het higgsdeeltje heeft de Large Hadron Collider zijn belangrijkste doel bereikt. Dat betekent niet dat het onder- zoek met ’s werelds grootste deeltjesversneller stopt. ‘Het meest interessante werk is nu pas begonnen.’ Technisch Weekblad nam er een kijkje en sprak met betrokkenen.
Mischa Brendel
De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN in Genève was speciaal ontworpen om óf aan te tonen dat het higgsboson inderdaad de eigen- schappen zou hebben die François Englert, Robert Brout en Peter Higgs voorspeld hadden, óf aan te tonen dat dit niet zo was, wat tot gevolg zou hebben dat het Standaardmodel op de schop kon. Het eerste bleek het geval en dit leverde Englert en Higgs vorig jaar de Nobelprijs voor de natuurkunde op (Brout overleed in 2011).
LHC niet met pensioen
Maar is met de ontdekking van het higgsboson het doek gevallen voor de LHC? De 27 km lange circulaire deeltjesversneller heeft immers gedaan waarvoor de machine is gebouwd. ‘Zeker niet’, zegt natuurkundige dr. James Gillies, hoofd com- municatie van CERN. ‘Het meest interessante werk is nu eigenlijk pas begonnen. Nu willen we de verdere eigenschappen van het higgsboson bestuderen. We weten in welke deeltjes het higgs- boson kan vervallen, maar waarom bijvoorbeeld vervalt het vaker in deeltjes van het ene type dan in deeltjes van het andere type?’
De LHC bevat vier grote detectoren: ATLAS, CMS, ALICE en LHCb. ATLAS en CMS doen in essentie hetzelfde en waren beide betrokken bij de ontdekking van het higgsboson. Om het bestaan van een dergelijk deeltje aan te tonen, worden protonenbundels die met nagenoeg de snelheid van het licht in tegengestelde richting reizen, met elkaar in botsing gebracht. Bij sommige van deze zeer energierijke botsingen spatten de protonen in kleinere deeltjes uiteen. Deze nieuwe deeltjes en de deeltjes waarin zij op hun beurt vervallen zijn met verschillende sensoren extreem kort waar te nemen.
Onafhankelijke metingen
Om onomstotelijk vast te stellen dat het higgs-deeltje inderdaad is waargenomen, waren twee onafhankelijke metingen nodig. En inderdaad, de metingen van CMS bevestigden die van ATLAS, of vice versa; welke van de twee instrumenten het higgsdeeltje nu echt eerder waarnam, kan CERN niet zeggen.
Voor speculeren over de mogelijke toepassingen van deze ontdekking is het nog veel te vroeg, maar eerdere soortgelijke natuurkundige doorbraken vinden nog steeds hun uitwerking in moderne, hedendaagse apparaten. Zo zou het zonder rekening te houden met Einsteins relativiteitstheorie niet mogelijk zijn om gps-satellieten met hun huidige nauwkeurigheid te laten werken.
Direct na de oerknal
Behalve ATLAS en CMS zijn er dus ook nog ALICE en LHCb. ALICE kijkt niet naar protonen- maar naar ionenbotsingen om meer te weten te komen over wat er direct na de oerknal in ons heelal gebeurde, terwijl LHCb zich richt op bot- tom of beauty quarks (de ‘b’ van LHCb staat voor ‘beauty’) en inzicht moeten verschaffen in het verschil tussen materie en antimaterie.
Hoewel er inmiddels al veel bekend is over de evolutie van het heelal, zijn de gebeurtenissen direct na de Big Bang nog steeds een enigma. Bekend is dat er een kleine 10 µs na de oerknal quarks en gluonen naast elkaar bestonden. Quarks en gluonen zijn de subatomaire deeltjes waaruit protonen en neutronen zijn opgebouwd. In ons huidige heelal komen ze in stabiele vorm echter uitsluitend gekoppeld voor als zogenaamde quarkgluonplasmonen. Prof.dr. Raimond Snellings, hoogleraar heavy-ions physics aan de Universiteit Utrecht en programmaleider van de ALICE-groep van het Nederlandse fysica-instituut Nikhef probeert samen met collega’s de oorzaak hiervan te vinden: ‘Waarom zijn ze niet uit elkaar te halen?’
100.000 keer heter dan de zon
De zogenaamde sterke kernkracht houdt de quarks in neutronen en protonen samen, waarbij de gluonen een grote rol spelen om die kracht in stand te houden. De theorie stelt dat zeer hoge temperaturen en dichtheden deze sterke kernkracht kunnen opheffen. De kritieke temperatuur ligt hierbij volgens de onderzoekers rond de 2 x 1012 K, circa 100.000 keer heter dan de kern van de zon. Deze temperaturen kwamen alleen enkele miljoensten van een seconde na de oerknal in het heelal voor. Door loodionen op elkaar te laten botsen in de LHC is het echter ook mogelijk om deze temperatuur te bereiken, wat (zeer kort) een quarkgluonplasma doet ontstaan. De ALICE- wetenschappers gebruiken loodionen, omdat deze relatief zwaar zijn. Hierdoor zijn de bewegende ionen energierijker en energierijkere botsingen hebben een hogere kans om het quark- gluonplasma te vormen.
De onderzoekers zijn nu op zoek naar de deeltjes waarin een quarkgluonplasma vervalt. Om deze informatie geeft over het type deeltje – überhaupt te kunnen waarnemen, telt ALICE zes lagen aan detectoren op basis van silicium.
Loodionen versnellen
Snellings legt uit hoe CERN de loodionen creëert en in de LHC versnelt: ‘Wanneer je een stukje lood opwarmt tot een paar honderd graden komen er al geïoniseerde loodatomen vrij. Deze ga je versnellen. Je wilt daarnaast alle elektronen uit de bundel verwijderen en dit doen we door de bundel door een speciale folie heen te vuren die de elektronen wel, maar de ionen niet tegenhoudt.’
Het versnellen van de ionen en protonen, gebeurt stapsgewijs: in de eerste plaats worden de bundels gecreëerd in een lineaire versneller. Vervolgens brengen de onderzoekers de bundels in steeds grotere versnellers, waarbij ze steeds meer snelheid krijgen. Na een aantal lineaire versnellers volgen de circulaire versnellers, waarbij de LHC de laatste stop is. Bij een botsing in de LHC bezitten de loodionenbundels een gezamenlijke energie van 2,76 tera-elektronvolt (TeV).
Antimaterie
Een ander enigma dat de oerknal achterliet, is de verhouding tussen materie en antimaterie in het heelal. In het begin was er even veel van beide vormen van materie (die elkaar met veel geweld ‘opheffen’ als ze met elkaar in contact komen). Toch bestaat ons universum voor zover bekend alleen uit materie. Hoe komt dat? Het team van LHCb probeert een antwoord op deze vraag te vinden door de zogenoemde B-deeltjes te bestuderen die bij protonenbotsingen ontstaan.
Dit zijn deeltjes die de bottom-quark of beauty-quark (b-quark) bevatten (er zijn in totaal zes verschillende typen quarks). Ook deze deeltjes komen tegenwoordig niet meer in losse vorm in het universum voor, maar vlak na de oerknal wel. Omdat b-quarks en hun antimaterie-tegenhangers niet precies symmetrisch zijn, vertonen ze een klein verschil in verval. Door dit verschil in verval te bestuderen, hopen de wetenschappers meer inzicht te krijgen in de discrepantie tussen materie en antimaterie in het universum. ‘Onze detectoren kunnen heel nauwkeurig meten hoe deze b-quarks vervallen’, vertelt dr. Jeroen van Tilburg, die verbonden is aan het onderzoek met de LHCb en zijn doctoraal in deeltjesfysica behaalde.
Vlak achter de crash-site
Omdat de b-quarks niet in alle richtingen verstrooien na een botsing, maar vooral in voorwaartse richting (of achterwaartse, afhankelijk van welke van de twee bundels je volgt), bevinden de meetinstrumenten van de LHCb zich vlak achter het punt waar de bundels op elkaar botsen. Allereerst is er de vertex locator, die de afstand tussen het botspunt en de b-quarks – die slechts enkele biljoensten van een seconde bestaan – tot een honderdste millimeter nauwkeurig meet. Vervolgens zijn er twee Cherenkov-detectoren die de lichtkegels meten die geladen deeltjes produceren wanneer deze sneller door het fluorkoolstofgas in de detectoren reizen dan licht dit doet. Op deze manier is de snelheid van de deeltjes vast te stellen. Hierna zijn de zogenoemde ‘trackers’ aan de beurt. Deze registreren de exacte positie van de deeltjes, zodat hun baan te berekenen is. Daarna registreren de calorimeters de hoeveelheid energie die de deeltjes bevatten. Vervolgens kijken de muon-detectoren naar de gelijknamige deeltjes (een muon is het zwaardere broertje van het elektron) tijdens de laatste stadia van het verval. Tot slot buigt een stel sterke magneten de banen van de geladen deeltjes af, zodat duidelijk wordt wat hun exacte impuls is.
Nieuwe deeltjes detecteren
Van Tilburg: ‘Met de LHCb kunnen we hele zeldzame vervallen bekijken, die ons dingen kunnen leren over deeltjesfysica die het Standaardmodel niet kan verklaren. Het Standaardmodel verklaart namelijk maar een klein deel van de kwantumfysica. Ook is het mogelijk dat we indirect nieuwe deeltjes zullen detecteren.’
Er is dus nog meer dan genoeg te doen voor zowel de LHC als de kwantumfysici. CERN denkt ook al voorzichtig na over de opvolger van de 27 km lange deeltjesversneller, want de wetenschappers stoppen pas met zoeken als ze alle antwoorden hebben gevonden.
Het higgsdeeltje en het higgsveld
Het higgsdeeltje, ook bekend als het higgsboson, is de drager van het higgsveld, een energieveld overal in het heelal aanwezig dat de massa van alle andere deeltjes veroorzaakt. Vaak wordt de vergelijking gemaakt met een belangrijk persoon (‘veel massa’) die van de ene kant van een feestzaal naar de andere kant probeert te komen: dat zal hem meer moeite kosten dan een onbelangrijk persoon (‘weinig massa’), omdat hij onderweg veel wordt aangesproken door anderen (‘higgsdeeltjes’). Met de vondst van het higgsdeeltje in 2012 en een bevestiging in 2013, kwam een einde aan de zoektocht naar het deeltje waarvan het bestaan al in 1964 was voorspeld.