13 April 2010, 21:49 De Universiteit Antwerpen draagt bij tot de eerste wetenschappelijke artikels rond het LHC-project.
Een artikel getiteld"Commissioning and
Performance of the CMS Pixel Tracker with Cosmic Ray Muons" werd
onlangs gepubliceerd door de Journal of Instrumentation. Zelfs voordat het CMS-experiment proton-proton-botsingen veroorzaakt door de Large Hadron Collider
detecteerde nam het al miljoenen foto’s van muonen afkomstig uit kosmische
straling. Deze regen van deeltjes is het gevolg van de botsing van protonen
afkomstig uit de ruimte met luchtmoleculen uit onze atmosfeer. Antwerpse
onderzoekers analyseerden deze signalen om de sensoren en elektronica van de
peperdure silicium-pixel-detector in het hart van het experiment te kalibreren en te bepalen met welke efficiëntie de doorgang van elementaire deeltjes door deze sensoren wordt gedetecteerd.
Van zodra het CMS-experiment botsingen tussen bundels protonen uit de
LHC observeerde in november 2009, werden de voorgaande resultaten bevestigd en
onmiddellijk toegepast in het bepalen van de ruimtelijke verdeling van geladen
elementaire deeltjes geproduceerd in de gewelddadige botsing tussen protonen in
de LHC-versneller. Verschillende onderzoekers van de Universiteit Antwerpen
waren aanwezig op CERN en analyseerden de vergaarde gegevens in luttele uren na
het opslaan en verwerken van de eerste LHC-botsingsgegevens.
De dichtheid van
geladen deeltjes werd gemeten bij twee verschillende energieën, die nog ver
beneden de ontwerpenergie van de LHC-versneller liggen. Toch werd een staal van
gegevens vergaard bij een recordenergie van 2.36 TeV, nog nooit eerder bereikt
door andere versnellers. De eerste resultaten wijzen erop dat het gemiddelde
aantal deeltjes die loodrecht op de botsingsas tussen twee protonen worden
geproduceerd sneller toeneemt met de botsingsenergie dan men aanvankelijk had
verwacht. De details werden neergeschreven in een paper getiteld "Transverse
momentum and pseudorapidity distributions of charged hadrons in pp collisions
at sqrt(s)=0.9 and 2.36 TeV",en gepubliceerd
in de Journal of High Energy Physics:
Sinds
maart 2010 is de botsingsenergie opgedreven tot 7 TeV, de helft van de
uiteindelijke ontwerpenergie van de LHC. Updates van de analyses bij deze nieuwe
recordenergie worden momenteel uitgevoerd en hopelijk bevestigen ze onze
eerdere vermoedens …
Een reconstructie van een proton-proton botsing bij de huidge recordenergie van 7 TeV. De gele sporen corresponderen met de trajecten van geladen deeltjes die uit de botsing voortkomen.
23 November 2009, 21:46 Weerom erg goed nieuws van de LHC, men is er vanavond rond 19u in geslaagd om de eerste proton-proton botsingen te realiseren.
We gaan verder op de ontwikkelingen van afgelopen weekend waar de Large hadron Collider na 14 maanden uitstel de draad weer oppikte. Deze keer moet alles gewoon goed gaan.
Afgelopen weekend stuurde het CERN pakketjes protonen voor het eerst weer in de reusachtige 27 kilometer lange LHC-ring. Dit ging stapsgewijs te werk, De ring bestaat uit twee concentrische cirkelvormige vacuümbuizen en is opgedeeld in 8 grote secties die elk apart worden gecontroleerd en kunnen worden afgesloten door middel van collimatoren of ‘poortjes’.
foto 1: Schematische weergave van de twee vacuumbuizen van de LHC ring. Op 4 punten rond de ring, worden de buizen 'gevlochten' en kruisen ze elkaar om botsingen toe te laten.
Na injectie van een pakketje van protonen werd elke bundelpijp sectie per sectie getest door de protonen tegen de gesloten collimator van elke sectie te laten botsen. Eerste begin men met protonbundels in wijzerzin, daarna werd de andere vacuümbuis getest door protonen in tegenwijzerzin te laten circuleren. Dit procede heet beam threading. Het is uiteindelijk de bedoeling dat er tegelijk protonen in beide buizen en in tegengestelde richtingen gaan draaien. Het vereist een enorme technologie om dit te doen omdat de bundels in hun baan gehouden worden door 1200 speciale magneten die op een slimme manier beide bundels tegelijk op de juiste manier afbuigen en op hun cirkelbaan houden (zie foto 2). Door een slimme synchronisatie van de pakketjes kan men deze dan op 4 plaatsen waar de twee vacuümbuizen zich als een vlecht door elkaar winden laten bosten.
Afgelopen weekend was men er in geslaagd om elke bundel afzonderlijk te laten circuleren door heel de ring door geleidelijk aan alle poortjes te openen. Cruciaal was het openen van sector 34 (octant 4 op de schets), waar vorig jaar een catastrofaal Helium lek plaatsvond die een deel van de machine vernietigde.
Alles verliep naar wens en bundels draaiden lustig, maar ongestoord door de ring. Vandaag bracht men voor het eerst succesvol twee bundels tegelijk in de LHC ring en lieten deze ongestoord rondjes draaien. De chronologie verliep als volgt:
23 november 13.29 uur: LHC circuleert beam 1 en beam 2. Op onderstaande figuur (foto 3) is de LHC TV te zien. Een informatiesysteem dat overal op CERN (inclusief wandelgangen en kantines) laat zien wat er met de versneller aan de gang is. Het is voor dit scherm dat duizenden fysici de laatste dagen gekluisterd zitten. De boodschap in de linker onderhoek van het scherm vat in woorden samen wat er gebeurt: “Both beams are synchronised. … B1 and B2 are circulating in LHC. … Quiet period with two beams for a while. ..”
23 november 13.40 uur: Het CMS experiment neemt data en zoekt naar interacties Op onderstaande foto (foto 4) zie je de status van de 4 LHC experimenten: ATLAS, ALICE, CMS en LHCb. De grafiek eronder laat de intensiteit van beide bundels zien (rood en blauw). Je ziet dat rond 13u20 er voldoende intensiteit aanwezig is: rode en blauwe curve hebben gemiddeld 3x109 protonen in een pakketje zitten.
23 november 13.54 uur: CMS zet zijn sporenkamer aan De sporenkamer van het CMS experiment is het meest gevoelige en duurste onderdeel. Het bestaat uit 250 vierkante meter CCD camera sensoren die de trajecten van deeltjes die worden geproduceerd in frontale proton-proton botsingen zullen fotograferen. Dit gaat gepaard met het verwerken van tientallen miljoenen elektrische pulsjes (foto 5).
De fysici in de controlekamer van het experiment achtten het veilig genoeg om hun delicate technologische pareltje aan te zetten om te gaan kijken of er meetbare botsingen te registreren zijn.
Op onderstaande foto (foto 6) zie je de status van het experiment, met een samenvatting van de datavolumes en rekenkracht van alle subsystemen. Het is belangrijk om naar het rechterdeel van dit plaatje te kijken: ‘Data Flow’. Je ziet dat alle gegevens van 1246108 ‘fotos’ worden verwerkt door een serie van elektronische filters die de ruis zullen weggooien. Het resultaat zie je helemaal rechts onderaan: na filtering slaan we 172080 plaatjes op voor verdere analyse door fysici.
23 november 19.40 uur: Eerste gegevens zijn volledig verwerkt.
Nadat de data is gefilterd gaat ze naar een grote zaal waar honderden computers zijn opgesteld om uit de miljoenen signalen de historiek van de ganse botsing te reconstrueren. Het lijkt wel ballistisch onderzoek. Wanneer dit gebeurt gaat men verder de ruis onderdrukken en informatie betreffende het gedrag van individuele sensoren (calibratie) en de relatieve positie van elke sensor (uitlijning) toevoegen en op basis daarvan correcties toepassen. In een laatste stadium gaan computers uit tientallen gecorrigeerde ruimtelijke punten verschillende gekromde trajecten door de ruimtepunten tekenen: een rekenintensieve fit van data aan een kromme. Het uiteindelijke resultaat levert niet alleen mooie beelden op, zoals te zien is in onderstaande figuur (foto 7), maar bevat ook de relevante fysische grootheden (energie impuls, …) waarmee fysici gaan meten welke exotische objecten er precies in de proton-proton botsingen zijn geproduceerd.. het is op die manier dat we ondermeer het Higgs boson gaan vinden, maar hiervoor is veel, veel geduld nodig. De intensiteit van de protonbundels moet nog met een miljoen keer omhoog en de energie is nog een factor 15 te laag. Beide enorme uitdagingen houden ons nog de komende maanden, misschien jaren te bezig …
22 November 2009, 00:11 Beste mensen, schreeuw het van de daken: de
Large Hadron Collider is back on track! En hoe!
Voor zij die het niet wisten: de
LHC viel kort na zijn inauguratie op 10 september 2008 in panne: Op 19
september 2008 wordt de stroom verhoogd in de 1200 supergeleidende magneten die
zijn afgekoeld tot 2 graden boven het absolute nulpunt. Dit ter voorbereiding
van de eerste proton proton botsingen die in de LHC zullen plaatsvinden. Om
11u18 op die bewuste dag bereiken de stromen een intensiteit van 8700 Ampère,
wanneer een supergeleidende brug tussen twee dipoolmagneten in sector 34 van de
LHC ring plots een zeer kleine elektrische weerstand ontwikkelt van een aantal
nano-Ohms. Na 1 seconde slaat een elektrische vonk over en doorboort hiermee de
vloeibare helium cryostaat van de LHC en Helium lekt in het isolerende vacuüm.
Veiligheidskleppen laten de enorme hoeveelheid vrijkomende Helium ontsnappen
maar kunnen het debiet niet aan en er ontstaat een enorme druk binnen de
cryostaat van een van de LHC magneten. De enorme druk rukt de dipoolmagneet uit
zijn betonnen verankeringen
verplaatst de enorme massa over 35 cm, wat een kettingbotsing veroorzaakt over
een afstand van 700 meter lang tussen de elementen van de LHC. Een catastrofisch incident
vernietigt in een klap de droom van 9000 fysici: de LHC ligt volledig buiten
strijd (zie foto).
foto1: resultaten van het LHC incident op 19 september 2008
De gemeenschap reageert geschokt.
Journalisten die nog maar net hun koffers hadden gepakt na de glamoureuze
inhuldigingsceremonie op CERN met tal van hoogwaardigheidsbekleders, keren
terug en rapporteren als aasgieren over het faliekante experiment. De
teleurstelling en frustratie is onbeschrijfelijk maar CERN houdt het hoofd
koel. Dit is niet het eerste incident bij het wereldinstituut van de deeltjesfysica.
Een team van experts schat de schade in en achterhaalt de oorzaak: een foutieve
lasverbinding tussen twee supergeleidende magneten in sector 34. De beschadigde
dipoolmagneten binnen de getroffen 700 meter tunnel sectie van de LHC worden
verwijderd, de in tact gebleven elementen worden grondig schoongemaakt en een
herstelplan wordt uitgewerkt. Het verdict: de LHC is zodanig beschadigd dat het
herstel een jaar zal duren.
De 58 lidstaten van CERN slaan de handen in
elkaar en de hele wereld levert materiaal en experts om de heropbouw te
beginnen. Een welgeleerde les: er worden nieuwe monitoring systemen ingebouwd
die een zodanige catastrofe nooit meer zullen toelaten, de veiligheidskleppen
worden aangepast om grotere debieten helium toe te laten. De gehele LHC wordt opnieuw
getest en extra beveiligd.
Ondertussen gaan de ondergrondse cavernes waar de 4 LHC-experimenten zijn ondergebracht
en fysici gaan koortsachtig aan de slag om nieuwe apparatuur die voor het opstarten
van de LHC nog net niet klaar was, te installeren, wat kleine foutjes en bugs
te corrigeren en detectoren de maken die de beste zijn die we ooit gekend
hebben. De Antwerpse deeltjesfysica groep vervolledigt haar zogenaamd CASTOR
instrument en koppelt het aan bij het moederschip: de CMS detector (zie foto).
Fast forward naar September 2009: we
krijgen het bericht om alles in gereedheid te brengen voor deherrijzing van de LHC. Alle handen los, geen gesleutel
meer!
Het CMS experiment sluit zich weer als een
hermetische blokkendoos en de experimentele grot wordt afgesloten. Koortsachtig
trekken we ons terug binnen de controlekamers. Alles blijkt prachtig te werken:
getuige zijn de mooie beelden die we zien van kosmische straling die als een
regen onze deeltjesdetector binnenvalt (zie foto).
7 november 2009: De Super Proton
Synchrotron injecteert protonen in de LHC. Sector per sector wordt uitgetest en
protonen kaatsen tegen de collimatoren (poortjes die de sectoren afsluiten).
Het resultaten zijn sproeiregens vaan deeltjes die ons instrument van links
naar rechts binnenvliegen: de zogenaamde splash events. Ook hier lijkt alles in orde. De LHC en
zijn experimenten zijn echt klaar voor een nieuwe start.
9 november 2009: Een vijftal van onze medewerkers reist af naar Zwitserland om zich
voor te bereiden ophet nemen van data
met de LHC. Twee van hen zullen aanwezig zijn in een van de controlekamers waar
ze de werking van de CMS detector zullen monitoren.
Anderen schakelen zich inde task forces van sub-detectoren van het CMS
experiment: de sporenkamer en de pixel-detector: een CCD camera met een
oppervlak van 250 vierkante meter die 70 miljoen elektrische signalen per botsing
zal moeten verwerken.
Nieuws op 19 november:‘An exciting weekend is in store, as the
LHC restarts tomorrow and aims for first beam circulation. To be followed by the
first LHC collisions ever sometime in the coming week or so!’
20 november 10.30 uur: Een dichte dreigende
mist verzamelt zich rond het Juragebergte en point 5, de site waar het CMSexperiment is ondergebracht (foto). Decontrolezaal is overbevolkt en de spanning
hangt als een ozonwolk in de lucht. De koffiemachine is tot de nok gestockeerd
met koffie capsules: Het wordt een lange dag.
20 november 12.00 uur: Plannen: De LHC bereidt zich voor op ‘beam splash’
mode rond 13.00 uur. Kort daarna zullen alle collimatorsworden opengezet en zullen de protonen door heel
de ring en onze experimenten suizen.
20 November 16.30 uur:De wolken trekken weg en de hemel wordt
helderblauw. Is het een voorteken?Bundels protonen circuleren in de LHC
injector: De Super Proton Synchrotron. De LHC zet zijn beam inhibit uit en
wacht …
20 November 17.55 uur:Checklists en countdowns worden nauwkeurig
doorlopen. Alles checken en checken, en nog eens checken.
20 november 18.55 uur: Nog steeds geen signalen in onze detector.
De bundel is gezien in point 3, twee sites verderop langs de 27 km lange LHC-ring.
20 november 19.13 uur: First beam! We made it! Een pakketje protonen zoefde
dwars door ons experiment. Onze sensoren zijn gesynchroniseerd en gelocked op
de LHC signalen. Signalen van circulerende protonenen worden opgepikt door onze sensoren. De
feniks is uit zijn asherrezen!
20 november 19.55 uur: bezoek van de Tevatron. De directeur van 1 van de Tevatron
experimenten: de huidige krachtigste versneller ter wereld komt de controlekamer
binnen en feliciteert ons. Hij weet dat de LHC zeer binnenkort de fakkel
overneemt.
20 november 21.10 uur: eerste rondjes. Er wordt bevestigd dat de LHC bundels 3
volledige rondjes rond de ring hebben gedraaid. Meer rondjes volgen in de
komende minuten. Alles lijkt nu zeer goed te gaan.
20 november 21.45 uur: nieuws van de LHC
controlekamer. Er wordt een korte pauze ingelast. Daarna
zal de bundel in de wijzerzin (beam1) worden gedumpt en volgt een injectie van
de bundel in tegenwijzerzin.
20 november 21.27 uur: Correctie, nieuw plan. LHC mensen informeren dat de plannen
gewijzigd zijn. Men gaat over naar een ‘beam capture): men zal beam 1 opslaan
in de LHC ring.
20 november 22.02 uur: Beam captured. De sensoren pieken! Er is iets aan de gang!
De radiofrequente systemen van de LHC houden bundel 1 in toom en laten hem in cadans
lopen. Bundels circuleren nu continu in de LHC en we zitten aan 50.000 toeren!
20 november 22.33 uur: Beam 2 klopt aan. Beam 2 wordt geprepareerd in de SpS
injector. De shift ploegen zullen om 23u, zoals voorgeschreven roteren. Niemand
wil van zijn stoel wijken en 2 ploegen verzamelen zich in de controlekamers.
20 november 23.11 uur: Beam 2 in de LHC. Beam 2 heeft een gedeelte van de LHC
afgelegd, en is gezien in point 6, 1 station verwijderd van het onze. BBC
arriveert met een cameraploeg!
20 november 23.55 uur: beam 2 completes orbit. Beam 2 is volledig rond gegaan. LHC zal
proberen om ook deze bundel te vangen via een ‘beam capture’.
21 november 00.45 uur: beam 2 captured. LHC heeft beam2 kunnen vangen. Maar slechts
gedurende een paar seconden. Een crew lid kondigt aan dat hij en zijn
vrouw een tweeling verwacht. Champagne!
21 november 02.45 uur: When night turns into
day … De vorige dag kent geen einde en gaat
zonder dat iemand het merkt over in de ochtend van de volgende. Beelden volgen
elkaar op. De LHC bundels leveren splashes langs beide kanten in de detector.
21 november 10.00 uur: LHC keeps going. De LHC levert gedurende de ganse nacht en opvolgende
ochtend spektakel. Er wordt gepland voor de rest van het
weekend …
22 november: LHC haalt de wereldpers! Kranten over de globe rapporteren over
hetheropstarten van de LHC. Ze wensen ons veel succes met de nieuwe
start en hopen natuurlijk op spectaculaire beelden.
Ik ga verder met het lezen van m’n mailbox,
sinds vrijdagavond hebben er zich gedurende de nacht zo’n 150 mails in
opgestapeld. Onze jongens hebben het druk …
"There is a theory which states that if ever anyone discovers exactly what the Universe is for and why it is here, it will instantly disappear and be replaced by something even more bizarre and inexplicable.
There is another theory which states that this has already happened."
The Restaurant at the End of the Universe, Douglas Adams
Was wijlen Douglas Adams zijn tijd ver vooruit toen hij bovenstaand stukje schreef in “The Hitchhiker's Guide to the Galaxy”, een trilogie in 5 delen? Volgens Holger Nielsen en Masao Ninomiya, twee gerespecteerde wetenschappers, staat ons alvast iets dergelijks te wachten wanneer de LHC opstart. Ze stellen letterlijk dat de productie van Higgs-deeltjes in de toekomst het universum zodanig zou veranderen dat het bouwen van een machine die Higgs-deeltjes kan aanmaken, onmogelijk wordt. Kun je nog volgen?
De klassieke fysica is in principe deterministisch. Als je zou weten wat de positie en snelheid is van alle deeltjes in het universum op een bepaald ogenblik, dan kun je uitrekenen wat hun positie en snelheid is op eender welk ander tijdstip. Als een appel uit een boom valt en je weet van welke tak hij vertrekt, kun je perfect voorspellen waar hij op de grond zal terecht komen. Omgekeerd kun je als je een appel op de grond vindt, afleiden van welke tak hij is losgekomen. Wiskundig kan je dit terugbrengen tot het zgn. principe van “minste actie”. Dat stelt dan aan elk traject van de appel een grootheid kan verbonden worden die we de “actie” noemen. Het traject waarvoor de actie minimaal is, is het traject dat in de realiteit gevolgd wordt.
Zoals je wellicht wel weet, zit het in de kwantummechanica een beetje anders. Niet enkel het traject met de minste actie kan verwezenlijkt worden, maar ook trajecten die er dicht bij liggen. Aan elk traject wordt via de berekening van de actie een waarschijnlijkheid toegekend en het traject met de kleinste actie is het meest waarschijnlijk. Dit alles is goed zolang we het over eenvoudige systemen hebben. Het universum als geheel op deze manier beschrijven is natuurlijk praktisch onhaalbaar. Maar in principe kun je stellen dat zeer veel verschillende trajecten of evoluties van het universum mogelijk zijn, elk met een zekere waarschijnlijkheid.
Nielsen en Ninomiya hebben nu dit kwantummechanisch formalisme uitgebreid. Ze beginnen met zich af te vragen wat er zou gebeuren indien de actie imaginair wordt (in de wiskundige betekenis van getallen met een negatief kwadraat). Niets dat er in de reële wereld op wijst dat imaginaire acties zinvol zouden zijn, maar je kunt de hypothese natuurlijk wel stellen – just for the fun of it.
Daarna verzinnen ze een ad hoc wiskundige uitdrukking voor de actie voor systemen met Higgs-deeltjes. Met het argument dat Higgs-deeltjes nog niet ontdekt zijn, zodat we hun precieze eigenschappen toch nog niet kennen. Na wat wiskundig geharrewar, komen ze er op uit dat een traject waarbij ooit Higgs-deeltjes geproduceerd worden erg onwaarschijnlijk is, zodat we allicht in een universum leven waarin het nooit zal lukken om een machine te bouwen die Higgs-deeltjes kan maken.
In een draak van een gedachtekronkel stellen ze dan maar dat Higgs-deeltjes die in de toekomst aangemaakt zullen worden vandaag proberen te beletten dat de LHC opstart. Ze zien alvast het stopzetten van de SSC en de vele vertragingen die de LHC heeft opgelopen als sterke argumenten in het voordeel van hun theorie.
Nu raak je als (deeltjes-) fysicus wel wat gewoon aan vreemde concepten. Virtuele deeltjes, extra dimensies, oneindige waarschijnlijkheden, ... het komt allemaal aan bod in de moderne fysica.
Maar dit is echt wel een brug te ver. Ten eerste is er niets dat er op wijst dan hun aanvangshypothese van imaginaire acties ook maar plausibel is. Daarnaast is de vaststelling dat je uit de positie van een appel op de grond kunt afleiden van welke tak hij is losgekomen nog iets anders dan beweren dat de appel is los gekomen als gevolg van het feit dat hij later op de grond ligt. Hun conclusie veegt de vloer aan met nogal wat fundamentele principes uit de fysica.
Nielsen en Ninomiya vergeten voor het gemak ook even dat er zoiets als kosmische straling bestaat. Als sinds 5 miljard jaar wordt de aarde bestookt met hoog-energetische deeltjes vanuit de ruimte. Deze deeltjes hebben een nog veel grotere energie dan de deeltjes in de LHC. Als het Higgs-deeltje bestaat, wordt het nu al voortdurend geproduceerd in botsingen tussen deeltjes afkomstig van kosmische straling en atomen of moleculen uit onze atmosfeer. Als hun theorie zou kloppen, dan leven we dus al in een universum waar de productie van Higgs-deeltjes wordt onderdrukt, en kan er geen kosmische straling bestaan.
Onzin dus. Een wiskundige denkoefening met weinig nut. Of zoals mijn collega theoretisch-fysicus Alexandre Sevrin, die het beter kan weten dan ik, stelt: "Holger is één van de kleurrijkste figuren in de wereld
van de theoretische elementaire deeltjesfysica. Hij is op een zeer prettige
wijze knettergek. Dit resulteert regelmatig in adembenemende briljante
bijdrages tot de fysica. De keerzijde van de medaille is echter dat Holger eveneens
dingen produceert die door de meeste stervelingen als complete nonsens
gepercipieerd worden."
Velen onder jullie hebben afgelopen week allicht de wenkbrauwen gefronst. Een Al Qaida terrorist in CERN? Straks gaat die nog met een potje antimaterie of zwarte gaten aan de haal! Dat is natuurlijk absurd, maar toch rees de vraag of zo iemand toegang had tot de ondergrondse LHC-versneller en, indien ja, of hij daar iets kon uitrichten dat potentieel gevaarlijk zou zijn. Het antwoord op de eerste vraag is “zou kunnen” (maar in dit concrete geval niet) en op de tweede vraag “helemaal niet”.
Het Franse gerecht liet vorige week twee vermoedelijke Al-Qaidaleden oppaken. Een van hen bleek fysicus te zijn en is verbonden aan CERN, waar hij meewerkt aan het LHCb-experiment. Zou hij opzettelijk in CERN geïnfiltreerd zijn?
Er zijn alleszins vlottere manieren om een terroristische aanslag te plegen dan jezelf toegang proberen te verschaffen tot de LHC op de manier zoals de hogervermelde medewerker zou hebben geprobeerd. Hij moet zowat het volgende parcours afgelegd hebben:
"Handleiding om toegang te krijgen tot de LHC"
Schrijf jezelf in voor een bachelor-opleiding Fysica aan een universiteit met actief onderzoek in deeltjes- of kernfysica. Als je na 3 jaar geslaagd bent als bachelor, moet je jezelf inschrijven voor een master-opleiding Fysica zodat je stilaan wetenschappelijk onderzoek kan gaan verrichten in samenwerking met CERN.
Solliciteer voor een job bij een universiteit of wetenschappelijk instelling om bijvoorbeeld aan een doctoraat te werken in de deeltjesfysica. Als je doorheen de strenge selectie komt, kun je een zogenaamd “User Contract” met CERN afsluiten. Hiervoor moet je wel geaffilieerd zijn met een van de instituten waarmee CERN samenwerkt en je diensthoofd, bekend bij CERN, moet hiermee akkoord gaan.
Met je “User Contract” raak je binnen in CERN, maar veel verder dan de kantine en de vele bureaus zal je niet geraken. Je moet er nu voor zorgen dat je een verantwoordelijkheid krijgt waarvoor toegang tot de LHC noodzakelijk is. Dat wordt geëvalueerd door een veiligheidsmedewerker van CERN, waarna je je iris kan laten scannen om toegang te krijgen via de biometrische controle.
Biometrische toegangscontrole bij de LHC.
Dat laatste heeft de persoon in kwestie nooit gedaan. Als medewerker van een van de instellingen waarmee CERN een gebruikersovereenkomost heeft was hij werkwaam in het LHCb-experiment. Hij heeft echter nooit toegang gekregen tot de ondergrondse experimentele hal. Wel was het een fysicus die jarenlang deeltjesfysica heeft gestudeerd.
Het lijkt me erg onwaarschijnlijk dat iemand zich met voorbedachte rade op deze manier toegang tot de LHC wil verschaffen. Wel lijkt het me mogelijk dat een fysicus, onafhankelijk van zijn studie, andere rare ideeën ontwikkelt en een illegale, terroristische organisatie gaat aanhangen (al kan ik natuurlijk niet zeggen of dat in dit geval ook zo was).
Bovendien bereik je er weinig mee. In CERN gebeurt geen onderzoek naar kern- of andere wapens. Alle onderzoeksresultaten worden bovendien gepubliceerd. De LHC-versneller laat deeltjes op elkaar botsen, maar zodra die stil ligt, stoppen ook de botsingen. Er is geen kettingreactie die uit de hand kan lopen zoals bij een kernreactor. Er wordt bij CERN wel antimaterie geproduceerd, maar dat gebeurt in minieme hoeveelheden die dan ook nog eens in een fractie van een seconde weer verdwijnen. Als je tenslotte gewoon een bom wil laten ontploffen, lijkt het me niet erg zinvol eerst een dikke 100 meter onder de grond te kruipen: veel schade aan de oppervlakte zal je er niet mee aanrichten.
Dan Brown had het in zijn boek “Het Berninimysterie” bij het rechte eind voor wat betreft de toegangscontrole tot de LHC: het is niet zo simpel om er binnen te geraken (en laat ons hopen dat de methode uit het boek nooit in de praktijk wordt gebracht!). Maar CERN heeft niets te bieden aan potentiële terroristen.
13 Februari 2009, 15:52 Op donderdag 22 januari was ik als toeschouwer aanwezig bij een debat tussen mijn collega deeltjesfysicus Pierre Van Mechelen en niemand minder dan Nobelprijswinnaar Martinus Veltman. De gelegenheid was georganiseerd door het Vlaams-Nederlands Huis deBuren in Brussel. Het thema van het gesprek was ‘de deeltjesversneller uitgelegd’, waarmee ik vermoed dat men de LHC bedoelde.
Misschien is het nuttig om toch even kort de bijdrage van Veltman in de elementaire deeltjesfysica te schetsen. Eerst en vooral is het tijdskader waarin Veltman als jonge onderzoeker actief was uniek. De jaren 1950-70 waren de gouden jaren van de deeltjesfysica: experimentele en theoretische doorbraken volgden elkaar aan een sneltempo op, gedreven door de meest briljante geesten die de moderne natuurkunde heeft gekend. De gemeenschap van deeltjesfysici was toen nog relatief klein. Het was een periode waar iedereen elkaar kende, waar theoretische deeltjesfysici soms dagelijks een bezoek brachten aan hun experimentele collega’s en waarbij men samen nog last minute veranderingen aanbracht aan een experiment, of waarbij de theoreticus nog snel een grootheid uitrekende die de experimentator best makkelijk kon meten met zijn nieuw toestel.
IJKTHEORIEËN
Het werk van Veltman vat je niet zomaar samen in een paar lijnen, maar hij zette min of meer de kroon op een denkproces dat al in de jaren veertig was begonnen met het werk van Feynman toen die de relativistische kwantumveldentheorie van het elektromagnetisme uitvond: QED. De vergelijkingen van QED behoren tot een verzameling die ijktheorieën genoemd worden. IJktheorieen zijn de ultieme vorm van bottom-up formulering van fysische wetten.
In het begin van je natuurkundestudie leer je de empirische wetten van wat we nu als de ‘klassieke’ natuurkunde verstaan. De vergelijkingen beschrijven één of een aantal natuurlijke fenomenen van een bepaalde aard: denk maar aan de zwaartekrachtswet van Newton, de wet van Ohm, de wet van Boyle-Mariotti, de wet van Planck enzovoort. Al die wetten zijn erg nuttig in het dagelijkse leven en worden nog steeds door alle ingenieurs ter wereld toegepast. Het probleem is dat ze ogenschijnlijk allemaal los van elkaar staan en niet gebaseerd zijn op een aantal fundamentele eigenschappen van de natuur. IJktheorieen zijn dit wel en ze zijn gebaseerd op een aantal fundamentele symmetrieën van het fysische systeem dat wordt beschreven.
Een aantal eenvoudige voorbeelden van die symmetrieën is de vrijheid van keuze in het ‘nulpunt’ van het systeem, spiegel- en rotatiesymmetrie. De enorme kracht en schoonheid van deze theorieën ligt nu juist in het feit dat ze een fysisch fenomeen echt ten gronde beschrijven en bijgevolg een grotere hoeveelheid fenomenen, vooral op kwantumniveau, heel precies kan voorspellen. Daarom zijn ze zo enorm populair en nuttig in de elementaire deeltjesfysica, de fysica van het allerkleinste.
Nu hebben ijktheorieën de eigenschap dat ze oorspronkelijk erg lastig waren om precies een meetbare fysische grootheid uit te rekenen die men dan kon gaan meten in het laboratorium. Het kwam erop neer dat de standaardtechniek van de storingsrekening hopeloos faalde. Die storingsrekening werd toegepast in de kwantummechanica als een soort van reeksontwikkeling waarbij de precisie van de voorspelling toenam naarmate men meer kleiner wordende termen in de wiskundige reeks uitrekende. Het merendeel van de termen in de wiskundige reeks bleken oneindig te worden als men de regeltjes blindelings toepaste. Het vergde een enorme genialiteit om in te zien dat je de wiskundige reeks kon herschikken en herschrijven volgens een wel gedefinieerd schema dat men renormalisatie noemt. Renormalisatie werd voor het eerst in het lab en handmatig toegepast door pioniers als Feynman en zijn tijdgenoten en later formeel aangepakt door Veltman en zijn toenmalige student ‘t Hooft bij de ontwikkeling van de elektrozwakke theorie die QED verenigde met de zwakke wisselwerking, en werd geformuleerd door Weinberg, Glashow en Salam. Het is de formulering van de elektrozwakke theorie in combinatie met het werk van Veltman en ‘t Hooft dat aan de basis ligt van het succesvolle Standaard Model van elementaire deeltjes dat nu al gedurende bijna veertig jaar alle experimentele tests doorstaat.
LHC
De ondergrondse tunnel met daarin de LHC is cirkelvormig met een lengte van 27 kilometer. De blauwe cylinders zijn de cryostaten van de afbuigmagneten die protonen in een circelvormige baan houden binnen een vacuüm dat beter is dan dat van de ruimte in ons zonnestelsel. De LHC bestaat uit 9.300 magneten die elk worden afgekoeld tot 2 graden boven het absolute nulpunt. In totaal is hiervoor 60 ton vloeibaar helium nodig. De prijs van een liter vloeibaar helium is ongeveer die van een goeie fles whiskey. Het werk van Veltman liet dus, kort samengevat, toe dat je ijktheorieen kan maken zoveel je wil (van het zogenaamde massaloze Yang-Mills type) en dat je met een precies ‘voorschrift’ meetbare eigenschappen kan uitrekenen.
Beeld je in wat een succes mensen zoals Veltman hadden: ze vormden een brug tussen de ontwikkelaars van nieuwe fundamentele theorieën over de natuur en de experimentatoren die nieuwe ideeën wilden testen door een aantal concrete voorspellingen erg precies te meten. Niemand had de draagwijdte en het succes van het Standaard Model ooit kunnen bedenken en het is moeilijk om jezelf voor te stellen hoe krachtig de combinatie is, maar ze beschrijft werkelijk zonder probleem honderden metingen van de meest diverse grootheden bij de meest diverse energieën tot op een ongeëvenaarde precisie en de theorie verwondert ons evenveel als ze ons frustreert. De reden is dat je pas grote vooruitgang boekt wanneer je een bestaande theorie kan verwerpen en vervangen door een meer volledig, fundamenteler inzicht.
Er zijn veel argumenten die aantonen dat het Standaard Model niet volledig kan zijn en op een bepaald moment in conflict moet treden met het experiment. De ultieme vraag is, met welk experiment, en bij welke energie? De oplossing tot deze vraag is de LHC en wel hierom, de LHC en haar experimenten zijn zo gemaakt dat ze nagenoeg alle mogelijke voorgaande tests van het Standaard Model kan herhalen over een energiebereik dat tientallen keer groter is dan alle voorgaande tests. Het is de combinatie van die twee factoren die ons de hoop geeft dat de LHC het instrument zal zijn waarmee het Standaard Model zal worden omver geworpen. Daarom is alles aan de LHC zo groot en kost alles zoveel geld.
MILJARDEN GALAPAGOSEILANDEN
Je zou kunnen stellen dat men domheid oplost met geld en instrumenteel ‘geweld’, maar dit moeten we toch nuanceren. We zijn al veertig jaar lang slimme tests aan het bedenken en we zijn er telkens in gefaald om ook maar enige duidbare afwijking van het Standaard Model te vinden en geen enkel fysicus slaagt erin om de ultieme grootheid te vinden die het meest gevoelig is aan de beperkingen van het Standaard model. Daarom doen we nu na veertig jaar frustratie de brute-kracht-aanpak met de LHC, maar wel op een doordachte manier. Het energiebereik van de LHC en de intensiteit van haar deeltjesbundels zorgt ervoor dat we de het Standaard Model behoorlijk gaan brutaliseren. Stel je voor dat je de luxe hebt om honderd miljard Galapagos-eilanden te maken om steeds met lichtelijk andere begincondities de evolutieleer van Darwin te testen.
Het is hier waar Veltman het oneens is met de mainstream natuurkundigen: hij stelt zich erg cynisch op tegenover de brute-kracht-aanpak van de LHC. Niet alleen dat, hij stelt zich ook erg cynisch op tegenover zijn theoretische collega’s die gedurende de laatste 40 jaar bezig zijn om alternatieven voor het Standaard Model te formuleren. Ik ging naar het debat in Brussel met de hoop iets meer achter Veltmans motivaties voor die houding te weten te komen en ook om eventueel een visie (utopisch of niet) over de toekomst van het vakgebied te horen, maar ik bleef op mijn honger zitten.
Mede door een vrij oppervlakkige moderatie ontaardde het gesprek in een woordenspel of de oerknal nu al dan niet een goed propagandaplaatje is voor de LHC, of sterrenkunde nu al dan niet een fundamentele wetenschap is, maar de discussie ten gronde over het onderzoeksprogramma van de LHC werd niet gevoerd, grotendeels omdat Veltman een flauwe pose aannam waarbij hij alles zonder veel argumentatie afdeed als kletskoek en zich bovendien nogal neerbuigend gedroeg tegenover het publiek. ‘Ach Veltman, bewijs je het vakgebied hier nu echt een dienst mee’, zat ik met groeiende frustratie te denken. Ik had niet de moed om hem openlijk te confronteren, grotendeels uit respect en ook wel een stukje gêne, maar het bleef de afgelopen week wel door mijn hoofd malen.
Bewees Veltman mij misschien een dienst? Het zette me aan het denken en ik moet hem helaas op vele punten gelijk geven, maar wil ook wel nuanceren. We leven niet meer in dezelfde tijd als veertig jaar geleden waar het merendeel van de deeltjesfysici (experimentatoren en theoretici) vrij coherent meewerkten aan de uitbouw van het Standaard Model. Er zijn momenteel 1001 alternatieven voor het Standaard Model, maar allen zijn slechts variaties op een beperkt aantal kernthema’s: Supersymmetrie, nieuwe interacties, samengesteldheid van onze huidige elementaire deeltjes en het bestaan van extra ruimtelijke dimensies. Welke het Standaard Model zal vervangen weten we niet en de kans is groot dat nog niemand de vervangende theorie bedacht heeft.
SPECIALISATIE
Is de kloof tussen de theoretici en experimentatoren vergroot? Ik denk het wel, maar hoe kan het ook anders. De tijd dat men gezamenlijk met opgerolde mouwen aan iemands experiment ‘morrelde’, is voorbij. Alles is een specialisatie op zich geworden en de opbouw, complexiteit en budgetten zijn multinationaal-industrieel. Theoretici hebben hun fantasie gedurende tientallen jaren de vrije loop gelaten en zeer abstracte denkwijzen opgebouwd die vaak meer de grenzen van de wiskunde dan de fysica hebben verlegd (oké, ik kan ook soms cynisch klinken). Hun modellen staan soms zo ver van de wereld af dat een experimentator als ik er kop nog staart aan krijgt: Wat kan ik nu precies meten om dit model te testen? Sommigen gaan zelfs zover dat experimentele testbaarheid geen hoofdzaak meer wordt en eerder een belemmering van hun creatieve denken. Een hele generatie jonge experimentatoren heeft zich alleen beziggehouden met het bestuderen van simulaties: dingen die men bij de LHC zou kunnen observeren, of het ontwikkelen van computeralgoritmes, of het vinden van de juiste lijm waarmee men sensor x best verbindt met structuur y. Het wordt tijd dat we met echte nieuwe gegevens aan de slag kunnen.
En wat met de LHC? Gaat het eindelijk iets nieuws vinden? Gaat het ons allemaal weer op het goede spoor brengen? Eerlijk gezegd, we kunnen alleen maar hopen en we worden er zo nerveus van omdat we niet weten of er achter die berg het beloofde land ligt. En langs de zijlijn roept het publiek ons toe: Zijn jullie er al? Zie je al iets?
Zoals Veltman het in een beter moment van het gesprek stelde: ‘Het is vrij saai wanneer men op zoek is naar de zee en na dagenlang klimmen over een reeks heuvels uiteindelijk, wel, alleen maar de zee vindt.’ Laten we in elk geval hopen dat we op zijn minst de zee zien, en niet weer een berg waarover we de komende twintig jaar moeten proberen te klauteren. Laten we ook afspreken dat we cynisme vervangen door enthousiasme en dat we alles uit deze dure operatie halen wat eruit te halen valt, met de financiële en morele steun van dat ‘domme’ publiek.
24 Oktober 2008, 01:53 De Nobelprijs fysica (lees: Oscars
voor slimme mensen) werd begin deze maand bekend gemaakt. Tot mijn grote
vreugde ging hij dit jaar naar drie deeltjesfysici, Yoichiro Nambu (University of Chicago), Makoto Kobayashi (KEK laboratory,
Tsukuba, Japan) en Toshihide Maskawa (Kyoto University).De Zweedse Academie voor wetenschappen
honoreerde hen met de volgende reden:"for the discovery of the mechanism of spontaneous
broken symmetry in subatomic physics" en "for the discovery of the
origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three
families of quarks in nature".
Je voelt het al aankomen, ruikt naar Higgs, niet?
Zoals ik in een reactie op een van mijn vorige blogs al schreef, is het
werk van Nambu de basis van de latere ontwikkelingen door meneren Brout,
Englert en Higgs. De prijs benadrukt
nogmaals hoe belangrijk symmetrie concepten zijn in ons huidig begrip van de
fundamentele natuurwetten. Meer dan ooit te voren proberen we de wetten van de
natuur vanuit deze principes te verklaren, in plaats van ze louter empirisch te
beschrijven. Toch is het essentieel voor ons eigen bestaan dat een aantal van
die symmetrieën gebroken werden, kort na het ontstaan van ons heelal. Indien
dit niet het geval was, dan was er precies evenveel materie als antimaterie gecreëerd
die dan later allemaal annihileerden in een bad van steeds kouder wordende
straling. Het is de schending van een symmetrie die de abstracte naam
CP-symmetrie heeft (C voor het vervangen van een deeltje door zijn antideeltje
en P voor spiegelsymmetrie), die ervoor zorgt dat er net iets meer materie dan
antimaterie in ons heelal is overgebleven. Toen Kobayashi en Maskawa voor het
eerst een theoretische beschrijving van dit fenomeen formuleerden, kwamen zij
tot de conclusie dat er een drie generaties met elk twee quarks moest bestaan,
terwijl er op dat moment nog maar drie quarks gekend waren (up, down en
strange). Kost daarna werd de charm quark (1994) en later de bottom (1997) en
top (1995) quark gevonden en komen we tot het totale plaatje van 6 quarks,
netjes geordend in 3 generaties van 2 paren. Wisten jullie trouwens dat er een exponentieel verband bestaat tussen
de datum van de ontdekking van een nieuw deeltje en het aantal onderzoekers dat
nodig is om het deeltje te ontdekken? Sociologen,
eat your heart out! Het plaatje met het bewijs staat hieronder. Je kan trouwens
meteen afleiden wanneer de Higgs zal ontdekt worden, indien je rekent dat er op
dit moment 2000 fysici per LHC experiment werken.
Het verband tussen het ontdekkingsjaar van een nieuw elementair deeltje en het aantal natuurkundigen dat nodig was voor de ontdekking. (Let op: De Y-as is logaritmisch)
Over charm gesproken, we hebben dit jaar waarschijnlijk de Nobelprijs
aan de lelijkste fysici gegeven. Ik hoop dat Lisa Randall van Harvard ‘m ooit
krijgt wanneer we het bestaan van extra dimensies hebben aangetoond. Prof.
Randall was in 2005 de meest geciteerde fysicus en kreeg in 2007 een
eredoctoraat aan de Universiteit Antwerpen.
Prof. Kobayashi (links) en prof. Randall (rechts).
O ja, dan heb
ik het ook nog niet over het LHC incident op 19 september gehad. Verdenk me
niet van doofpotoperaties, maar ik vond het niet belangrijk genoeg om er een
aparte blog over te schrijven. Kort samengevat: Op 10 september triomfeerde het
CERN wanneer het voor het eerst protonen volledige rondjes in de LHC deed
draaien. Op dat moment hadden de deeltjes een lage energie (hun
injectie-energie die ze meekrijgen uit de voorversneller, de Super Proton
Synchrotron) en werden ze in de LHC niet extra versneld. Om dat wel te doen
moet de LHC haar magneten in supergeleidende toestand brengen om de versnelde
protonen in een cirkelbaan te kunnen houden.Deze fase begon na 10 september met het stuk voor stuk opvoeren van de
elektrische stromen in de LHC-magneten. Bij de laatste test van de allerlaatste
sectie magneten (toeval of niet) vond er een kortsluiting plaats in een
elektrische verbinding tussen twee magneetelementen waardoor het geheel uit supergeleidende
toestand werd gebracht. Dit zorgt voor een grote ontwikkeling van warmte omdat
het materiaal opeens een elektrische weerstand krijgt. Deze warmte deed 2 ton
vloeibaar helium instantaan verdampen, hetgeen een schokgolf door een gedeelte
van de LHC tunnel veroorzaakte. De balans: een dertigtal magneten (uit een
totaal van meer dan 1200) zijn beschadigd en zullen vervangen worden in de
komende maanden.
Vanaf december geldt er een traditionele restrictie op het
stroomverbruik van CERN (wegens te hoge kostprijs in de wintermaanden), dus
zoveel tijd is er niet echt verloren. De planning wordt nu iets verschoven en
we verwachten eerste deeltjesbotsingen ergens in april-mei volgend jaar. Het ganse evaluatierapport vind je hier. We
hebben hieruit vooral lessen geleerd, maar er is niets dat dit incident had
kunnen voorkomen. Experten noemen het een ‘kinderziekte’ waarvan we er waarschijnlijk
nog wel een paar (hopelijk kleinere) zullen tegenkomen in de nabije toekomst.
Ondertussen zitten we niet met de vingers te draaien natuurlijk, ons CMS-experiment draait op volle toeren tot eind november met als doel 300 miljoen
kosmische stralen te vergaren. Met deze gegevens kunnen we ons experiment zeer
precies kalibreren en uitlijnen, iets was we anders tussen LHC-runs door hadden
moeten doen.
we zijn er! De LHC is opgestart, er
circuleerden vandaag bundels protonen zowel in wijzerzin als tegenwijzerzin in
de LHC machine en we zitten momenteel al aan een eerste record van 250 toertjes
per injectie van nieuwe deeltjes in de machine. De media was er vandaag gek op,
en dat vonden we prachtig en terecht. Ik wil de Vlaamse pers bedanken voor hun
enthousiasme en aandacht. Het voelt goed om aan de wereld te laten zien wat je
hebt gemaakt. Maar zoals gewoonlijk heb je voor en tegenstanders van je idee.
Ik realiseer me dat we daar ook als wetenschappers mee moeten kunnen omgaan,
maar voor mij voelt het toch onwennig. Ik voel me telkens schuldig omdat we het
misschien toch niet zo goed hebben uitgelegd. Na het lezen van tal van forums
en reacties op artikels in de kranten wil ik jullie toch een kleine bloemlezing
geven, van wat ik de meest sprekende of grappige commentaren vond:
“CERN zal wel weten waar ze
mee bezig zijn denk ik, de beste wetenschappers ter wereld zitten daar op een
hoopje en die gaan de hele aardbol niet op het spel zetten, ook al kan het een
baanbrekend experiment zijn.”
“Shit, en al die jaren die
ik belasting heb betaald? Ga ik nu geen pensioen kunnen krijgen? En wat met
mijn pensioensparen?”
“Nou, wat proberen ze daar mee
te bewijzen? Pure geldverspilling van deze heren,hopelijk krijgen de
tegenstanders gelijk.”
“Als iedereen zo
dacht, leefden we nog in grotten. Dit project kost trouwens maar een fractie
van bvb 1 B2-stealth bommenwerper. Liever dat ze mijn geld hieraan uitgeven.”
“De medische
wetenschap kan niet zo heel veel doen met dit geld, want die wetenschap zit met
een budget dat dit ver, ver, ver overstijgt. Het nut van dit ding? Meer begrip
van de ruimte, en ik vermoed dat jullie al wel eens hebben gehoord van
kernfusie ... Een proces dat heel veel energie oplevert en weinig verbruikt...”
“Ziet er een
zeer interessant experiment uit. Zwarte gaten die kunnen ontstaan... Ik zou er
soms centen voor over hebben, om eens een zwart gat te kunnen creëren in de
buurt van mijn schoonmoeder :-)”
“De eeuwige
tegenstelling tussen progressieve en conservatieve wetenschappers! Als we de conservatieveilingen
500 jaar geleden ook hadden laten doen, dan draaide de zon "officieel"
nog altijd rond de aarde. Of het geld aan dit experiment nuttig is besteed,
zullen we pas na enkele tientallen jaren weten. Velen vonden ruimtevaart ook
nutteloos. Maar wat men erdoor te weten is gekomen is enorm. Dagdagelijkse
dingen die we nu vanzelfsprekend vinden zouden er zonder ruimtevaart nooit
geweest zijn.”
De gemene deler in veel van dit soort
reactie is enerzijds toch het veiligheidsaspect en het ‘spelen met zaken die we
beter ongemoeid laten’ en anderzijds de grote kostprijs van dit project dat de belastingbetalers
toch maar weer moeten ophoesten, nu het al economisch zo slecht gaat.
Over het eerste ongemak heb ik het al in
een vorig blog gehad, de veiligheid van de LHC en haar experimenten zijn
absoluut gegarandeerd. De bewering dat de veiligheidsrapporten over de LHC door
mensen van het project zelf geschreven zijn is absoluut onjuist. Er zijn zelfs
een heleboel Amerikaanse wetenschappers bij de rapporten betrokken, die er in
principe alle baat bij zouden hebben dat het LHC project wordt uitgesteld omdat
ze dan met hun eigen versneller (de Tevatron) nog ontdekkingen zouden kunnen
maken voor CERN het doet.
Het afkeuren van de bemoeienissen van
wetenschappers met de natuur is al zo oud als de (experimentele) wetenschap
zelf en zal waarschijnlijk altijd bestaan. Denk aan Galileo Galilei die als
ketter werd beschouwd omdat hij de aarde uit het middelpunt van het heelal
haalde, Vesalius omdat hij menselijke lijken opensneed, Mendeleev die nooit
echt door zijn tijdsgenoten werd erkend, etc. ..
Ook recent is men nog zeer veel argwaan ten opzichte van
genetische manipulatie en kernenergie. Het publiek heeft recht op antwoord van de wetenschap,
maar eens de argumenten zijn uitgewisseld, moet men vrede nemen met de
conclusie en de onderzoekers vertrouwen geven wanneer ze de grenzen van onze
kennis willen verleggen.
In die zin mag de bevolking zich ook
afvragen wat de wetenschap met al dat overheidsgeld doet. En hier komen we aan
de kostprijs en het nut van de LHC.
De LHC is een duur apparaat, kostprijs 3
miljard euro (bouw, operatie en onderhoud meegerekend). Elk van de 4 detectoren
kosten ook nog eens een 500 miljoen euro, en dan hebben we het nog niet over de
salarissen van de wetenschappers zelf. Het lijkt een enorm bedrag, maar laat me
benadrukken dat dit bedrag gefinancierd wordt door tientallen landen en dat we
er tientallen jaren mee aan de slag kunnen. In concrete cijfers bedraagt de
Belgische federale bijdrage aan CERN jaarlijks ongeveer 15 miljoen Euro. Voor
elke geïnvesteerde euro komt er 1.9 euro terug naar Belgische bedrijven in de
vorm van subcontracten voor services en materialen. Ons geld is dus goed
gespendeerd. Bovendien nemen alle bedrijvende knowhow die ze opdeden in hun samenwerking met CERN, gratis mee naar
huis. Als referentie: een F16 gevechtsvliegtuig kost rond de 15 miljoen euro en
ons land heeft er een 50-tal.
Vergeet ook niet dat fundamenteel onderzoek
steeds aan de basis ligt van toegepast onderzoek. Denk hierbij aan mensen zoals
Faraday, met zijn experimenten rond elektromagnetisme en zijn uitvinding van de
dynamo en de elektrische motor, Einstein met zijn ontdekking van het laser
principe (naast nog een paar andere revolutionaire theorietjes) en denk zelfs
aan de ontwikkeling van de kwantumtheorie aan het begin van de vorige eeuw:
waar op dit moment de economische impact geschat wordt op 25 % van het bruto
nationaal product van de geïndustrialiseerde landen en vooral te wijten is aan
de enorme vooruitgang die de kwantumfysica teweegbracht in de moderne
scheikunde, materiaalkunde en micro-elektronica.
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
In de hoop dat ik met deze een deel van de
‘malcontents’ heb kunnen bekeren, geef ik kort nog een lijst van de meest voorkomende
vragen en antwoorden.
Wat is elementaire deeltjesfysica precies ?
Wat is het nut van deeltjesfysica ?
Waarom zijn de experimenten zo groot ?
Wat is het Standaard Model ?
Wat is Supersymmetrie ?
Hoe zit het met extra dimensies ?
Wat is het Higgs boson ?
Hoe zoek je naar het Higgs boson en waarom ben je zeker dat het
nu gevonden gaat worden?
Wat zijn de alternatieven voor het Higgs boson ?
Wat gebeurt er als het Higgs deeltje niet gevonden wordt ?
Wat weet je over donkere materie ?
Brengt de LHC de veiligheid van de wereld in gevaar ?
Kunnen jullie string theorie testen ?
Wat is de LHC ?
Wat is het CMS experiment?
Wat is precies die GRID computing?
1. Elementaire deeltjesfysica bestudeert de
fundamentele bouwstenen van onze materie en hun onderlinge interacties. Het vakgebied
wordt ook hoge energiefysica genoemd omdat vele elementaire deeltjes niet
voorkomen onder dagelijkse omstandigheden, maar worden gemaakt door
hoogenergetische botsingen tussen versnelde deeltjes.
2. Deeltjesfysica is fundamenteel onderzoek
en heeft daarom als eerste doel het verleggen van de grenzen van onze kennis
over de natuur. De geschiedenis wijst bovendien uit dat technologische ontwikkeling
en de gepaarde economische welvaarteen
gevolg is van het verleggen van de fundamentele kennisgrenzen. Een aantal van
de technologische innovaties die voortvloeien uit de deeltjesfysica zijn
diagnostische tools voor de geneeskunde, het toepassen van supergeleiding op industriële
schaal, versnellers voor het maken van isotopen, bundels voor de behandeling
van kankers, het delen van gegevens via het WWW, GRID: computerberekeningen op
globale schaal, synchrotron straling, etc.
3. De meest succesvolle manier om deeltjes
tot zeer hoe energie te versnellen is door middel van cirkelvormige
versnellers. Deeltjes kunnen dan miljoenen keren ronddraaien in de versneller
en bij elke revolutie een extra duwtje in de rug krijgen. Voor lichte deeltjes,
zoals elektronen moet men de straal van de versneller groot maken om het
energieverlies aan synchrotronstraling te verminderen. Voor zwaardere deeltjes
zoals protonen moeten de dipoolmagneten
doe de deeltjes in een cirkelvormige baan houden een erg groot magneetveld
hebben indien men de deeltjes sterk wil afbuigen.
4. Alle deeltjes en hun interacties die we
tot nu toe hebben geobserveerd worden volledig beschreven door een kwantum
velden theorie die het Standaard Model heet. Het Standaard model unificeert
drie van de 4 natuurkrachten: het elektromagnetisme, de zwakke kernkracht en de
sterke kernkracht. Alle pogingen om de zwaartekracht met een van deze andere
krachten te unificeren is mislukt.Het
standaardmodel werd geformuleerd op het eind van de jaren 60 en heeft tot op
heden alle experimentele tests doorstaan. Er heerst echter algemene consensus
dat het Standaardmodel een onvolledige theorie van onze natuur is en dat een
meer fundamentele theorie aan haar basis ligt die ook de zwaartekracht zal
unificeren met alle andere natuurkrachten.
5. Supersymmetrie is een symmetrie die
deeltjes met een halftallige spin (fermionen) relateert aan deeltjes met een
heeltallige spin (bosonen). Veel van de ontwikkelingen in de theoretische
deeltjesfysica zijn gebaseerd op het exploiteren van symmetrie-eigenschappen
van onze natuur. Een aantal van die symmetrie zijn intuïtief erg duidelijk
(rotatie, spiegeling, etc..) , maar kunne ook abstracter zijn (materie en
antimaterie, lading, tijdsinversie, …). Supersymmetrische extensies van het
Standaard model zijn erg populair omdat ze een deel van de problemen van het
standaardmodel oplossen (fijntuning, naturalness, niet convergeren van de
koppelingsconstanten ). Ze worde ook als een opstapje gezien naar de snaartheorieën
die in vele gevallen supersymmetrie als onderliggend principe hebben.
Supersymmetrie levert ook een mogelijke kandidaat voor de donkere materie in
ons heelal.
6. Gedurende de laatste decennia is het
construeren van kwantumvelden theorieën als extensie van het Standaard Model
die realistisch, interessant en experimenteel verifieerbaar zijn, erg in de
mode. Sommige van deze modellen gebruiken ideeën van de snaartheorieën. Een
model zou alle eigenschappen van het Standaardmodel moeten beschrijven, plus
een antwoord bieden aan tenminste een van de open vragen omtrent het
standaardmodel: waarom 3 generaties, het hiërarchie probleem, breking van de
elektrozwakke symmetrie, … Modellen met extra dimensies geven in het algemeen
een oplossing voor het hiërarchie probleem ( het feit dat gravitatie zoveel
zwakker is dan de zwakke wisselwerking). Macroscopische extra dimensies
voorspelen vaak een hele reeks nieuwe deeltjes die zwaardere versies zijn van
de ‘standaard’ deeltjes in 3 dimensies. Een andere signatuur is een grote hoeveelheid
ontbrekende energie-impuls te wijten aan een graviton die in extra dimensies
vrij kunnen voortbewegen. De meest spectaculaire manifestatie van extra
dimensies is de creatie van microscopische zware gaten die nagenoeg isotropisch
in een heleboel deeltjes vervallen.
7. Het Higgs deeltje is zo’n beetje de
heilige graal van de moderne fundamentele natuurkunde. Het Higgs deeltje is de
meest waarschijnlijke verklaring waarom materie massa heeft. Het is eveneens de
ontbrekende hoeksteen van het Standaardmodel van de elementaire deeltjes: de
theorie die de fundamentele bouwstenen van de materie en hun onderlinge
interacties beschrijft.
8. Het Higgs boson kan op tal van manieren
geproduceerd worden bijde LHC en ook op
tal van manieren vervallen. Alle mogelijkheden worden bij de LHC onderzocht,
maar hun relatief groot aantal maakt het zoeken naar het Higgs boson net zo
moeilijk. In dien er geen Higgs boson wordt gevonden bij de LHC kunnen we haar
bestaan nagenoeg uitsluiten. Er zijn een reeks theoretische argumenten die de
massa van het Higgs boson beperken tot 1 TeV, hetgeen makkelijk binnen het
energiebereik van de LHC ligt. Indien geen Higgs beneden die massa wordt
gevonden, moet er een nieuwe dynamische manier opduiden die de Elektrozwakke
symmetrie breekt. Hiermee gaan extra fermion velden gepaard (Technicolor) die observeerbare
effecten moeten hebben bij de LHC.
9. Er zijn weinig goede alternatieven voor
het Higgs boson. Een is de aanwezigheid van nieuwe fermionvelden die door
middel van een condensaat de elektrozwakke symmetrie verbreken en massa gaven
aan de ijkbosonen door middel van nieuwe interacties gebaseerd op analogieën
met de QCD. Omwille van zijn grote massa zou de top quark (en een condensaat
van top quarks) hierin een belangrijke rol kunnen spelen. Een tweede
alternatief is de aanwezigheid van extra zware ijkbosonen, Z’ en W’s. Een derde
alternatief is gebaseerd op de rechtshandige majorana neutrino’s die massief
kunnen zijn zonder de renormaliseerdbaarheid van het Standaard Model aan te tasten.
10. Indien er geen Higgs boson wordt
gevonden moet er nieuwe fenomenen opduiken te wijten aan deze alternatieve theorieën.
Indien geen enkele nieuw fenomeen opduikt betekent dat ons begrip van de elementaire
bouwstenen en hun interacties totaal ontoereikend is en we naar totaal nieuwe,
onbekende, theorieën op zoek moeten.
11. het bestaan van donkere materie is
onbetwistbaar aangetoond door de gravitationele signatuur van roterende
sterrenstelsels en de bewegingen van clusters en ook door het effect van
gravitatie lenzen. De meest plausibele kandidaten voor donkere materie zijn het
lichtste supersymmetrische deeltje: de neutralino, zeer massieve majorana
neutrino’s, axions, of gewoon het feit dat de algemene relativiteit ontkracht
wordt.
12. De LHC zal geen fysische gebeurtenissen
veroorzaken die het einde van het leven op aarde teweeg brengen. Heet
voornaamste argument is dat kosmische stralingmiljarden keer miljarden keren LHC experimenten uitvoert met onze aarde
door ze te bombarderen met kosmische straling met een energie van 1017eV. Het argument van zware gaten is dat
volgens de klassieke theorie de Schwarzschild straal nooit zal bereikt worden
bij de LHC. In het gaval van macroscopische extra dimensies is het inderdaad
mogelijk een microscopisch zwart gat te produceren, maar dit vervalt sneller
dan dat het kan groeien door het opslokken van materie. Het maken van bubbels
materie die uit strange quarks bestaan is eveneens niet significant genoeg bij
LHC energieën.
13. String theorie doet in zijn puurste
vorm geen voorspellingen over meetbare grootheden, zelfs niet bij ultrahoge energieën.
Model builders proberen wel aan de hand van tools uit de string theorie
extensies van het Standaard model te bouwen die alle voorspellingen van het
standaard model verklaren en ook nieuwe meetbare fenomenen voorspellen.
14. De LHC, ofwel Large Hadron Collider is
de grootste en meest krachtige deeltjesversneller ter wereld (zowel op gebied
van energie als intensiteit). De LHC is een proton-proton collider machine met
een botsingenergie van 14 TeV. Hij is gebouwd in de vroegere cirkelvormige LEP
tunnel wiens lengte 27 kilometer bedraagt. De afbuigmagneten (1232 stuks) die
de protonen op hun cirkelvormige baan houden zijn supergeleidend en moeten
worden afgekoeld met vloeibaar helium tot 1.9 Kelvin.
De sterkte van hun magneetveld bedraagt 8.4
Tesla, ruwweg 100.000 keer groter dan het aardmagnetisch veld. De spoelen van
de LHC magneten zijn gemaakt uit supergeleidende niobium-titanium kabels die
stromen van 15.000 ampère kunnen verdragen en krachtenervaren van honderden ton
per meter. De LHC heeft 700.000 liter supervloeibaar helium nodig om zichzelf
koel te houden. Hiervoor zijn speciale vloeibare helium fabrieken op CERN
gebouwd. De bouw van de LHC en zijn 4 experimenten
en hun onderhoud kost tussen de 4 en de 6 miljard euro. DE LHV bundels bestaan
uit pakketjes protonen die elk 100 miljard protonen bevatten.De bundels kruisen elkaar om de 25 nanoseconde
en creëren gemiddeld 20 proton -proton botsingen per kruising.
15. De Compact Muon Solenoid, CMS
experiment, is een van de twee universele deeltjesdetectoren die staan
opgesteld bij de LHC. Het detector ontwerp is gebaseerd op een compacte
opstelling rondom een zeer krachtige solenoïde spoel met een magneetveld van 4
T. De CMS detector weegt 12500 ton en is cilindervormig met een diameter van 15
meter en een lengte van 20 m. Hij bevindt zich in een grot op 100m onder de
grond.
Aan het CMS experiment weken ongeveer 2000
Fysici en ingenieurs uit 36 landen.
De Universiteit Antwerpen droeg sinds 1995
bij aan de bouw van de sporendetector van CMS. Deze is een geavanceerde
halfgeleider camera met een oppervlakte van 200m2 aan gevoelige
silicium sensoren. Per botsing worden er van de orde van 10 miljoen
elektronische signalen uit deze detector uitgelezen en verwerkt.
16. Wanneer de LHC op volle toeren draait
zal hij bij elk vanzijn experimenten
meerder Petabytes per jaar aan data genereren, dit is een toren van cd-rom’s
die 20 km hoog is. Een Petabyte is gelijk aan 1 miljoen Gigabyte. Om hieraan
het hoofd te bieden creëerde CERN een gedistribueerd reken en opslagnetwerk dat
het wereldwijde LHC computing Grid heet. In dit Grid zullen tienduizenden Pc’s
wereldwijd samenwerken en meer computerkracht genereren dan eender welke
supercomputer ook en duizenden wetenschappers op een transparante en efficiënte
manier toegang geven tot de LHC data.
Hierbij is een grote bandbreedte van
essentieel belang en datatransfers binnen de LHC Grid kunnen oplopen tot 5Gb
per seconde. DSL home/internet snelheden liggen meestal in het gebied van 1
Mb/s. De LHC data zal beheerd worden op computerclusters die in drie lagen of
‘Tiers’ zijn georganiseerd. Alle ruwe data en een back-up hiervan zal worden
bijgehouden op CERN dat als Tier0 fungeert. Daarna wordt de data verwerkt en
integraal bijgehouden in een handvol Tier 1 centrums over de wereld, typisch verbonden
aan grote nationale laboratoria. Een 50’tal Tier2 centra per experiment zal
telkens een gedeelte van de data verder verwerken en opslaan. De fysici zullen
over het algemeen enkel gebruik maken van Tier2 data.
02 September 2008, 14:39
Vandaag las ik
een interessante vraag van Ruben De Groote als reactie op mijn vorige blog.
Zijn vraag ging over het maken van zwarte gaten bij de LHC en de eventuele
gevaren die hieraan verbonden zijn. Vermits er de laatste tijd ontelbaar veel
doemscenario’s in de media verschijnen, is het de moeite waard om de situatie
eens kort samen te vatten in een nieuw blog.
De onderstaande
verklaringen zijn grotendeels gebaseerd op het wetenschappelijke
onderzoeksrapport dat door het CERN-directoraat werd aangevraagd in 2003 en dat
nog eens werd herzien in juni dit jaar. U kan beide artikels zelf nalezen via
de volgende links:
In de algemene
relativiteitstheorie wordt een zwart gat gevormd indien een hoeveelheid materie
wordt samengeperst binnen een kritiek volume gekarakteriseerd door de
zogenaamde Schwarzschild-straal. De Schwarzschild-straal, R, is eenvoudigweg R=2GM, waar G Newton’s constante is voor de
zwaartekracht en M gelijk is aan de massa van het object. Hoe groter de massa
van een object, hoe groter de Schwarzschild-straal.
Zo zou bijvoorbeeld onze zon veranderen in een zwart gat indien al haar massa
zou worden samengedrukt binnen een straal van 3 kilometer, en onze aarde zou moeten
worden samengeperst tot een straal van ongeveer een centimeter. Nu is de vraag
hoeveel energie (herinner massa en energie zijn equivalent)er bij de LHC zou moeten worden samengeperst
worden om een zwart gat te maken. Bij de
LHC is de afstand waarin energie wordt samengeperst van de orde van 1 TeV-1,
wat gelijk is aan 10-17 cm.
De hoeveelheid massa of energie die samengeperst moet worden om zo’n
Schwarzschild straal te bekomen is gelijk aan 1032 TeV, wat 31
ordes groter is dan de totale LHC-bundel energie. De LHC zal ook voor beperkte
periodes bundels van zware kernen in botsing brengen, maar ook hier worden de
dichtheden aan energie niet zo hoog als 1032 TeV.
Een meer speculatieve mogelijkheid om zwarte gaten te produceren
wordt gesuggereerd door recente theoretische modellen die het bestaan van extra
dimensies op submillimeter schaal voorspellen. Deze modellen gebruiken een
aantal kernideeën van de snaartheorieën, maar zijn wiskundig veel minder
rigoureus. Hun voordeel is wel dat ze meetbare voorspellingen kunnen maken,
terwijl snaartheorie dat (nog) niet kan.
Dit is een van de belangrijkste redenen waarom deze modellen erg
populair zijn geworden gedurende de laatste 10 jaar. Een korte selectie van een
aantal publicaties met een sleutelrol geef ik hieronder:
N
Arkani-Hamed, S Dimopoulos and G Dvali, The hierarchy problem and new dimensions at a millimetre,Phys. Lett. B 429 263 (1998).
S. Dimopoulos, G. Landsberg,
Black holes at the LHC,Phys. Rev. Lett.87 161602 (2001).
L. Randall, R. Sundrum, Large Mass Hierarchy
from a Small Extra Dimension,Phys. Rev. Lett.83 3370 (1999).
Deze nieuwe modellen met extra dimensies geven een mogelijke
verklaring waarom de zwaartekracht zo zwak lijkt, vergeleken met de andere 2
natuurkrachten. De extra dimensies zijn in het meest eenvoudige geval
gecompactifieerd op een cilinder of torus met een straal van de orde van 0.2 mm
of kleiner.
Gecompactifieerde dimensies op een cilinder: Onze normale ruimte-tijdsdimensies liggen op het buitenoppervlak van de cilinder met straal R, die ruwweg gelijk is aan een tiende van een millimeter. Enkel de zwaartekracht kan door het ganse volume van de cilinder penetreren.
Wist je trouwens dat de inverse kwadraat wet van de Newtoniaanse
mechanica zeer moeilijk te testen is op kleine afstanden? De meest precieze
metingentesten de gravitatiewet tot op
een paar honderdsten van een millimeter. Het is dus best mogelijk dat er kwantumgravitatie-effecten zich voordoen op afstanden van de orde van een honderdste millimeter.
In een theorie met 4 +d dimensies is voor zeer korte afstanden, r, de
aantrekkingkracht tussen 2 voorwerpen niet evenredig met 1/r2, maar
1/r2+d.Ook de
gravitatieconstante van Newton krijgt in deze theorie een aanpassing, ze wordt
namelijk vergroot omdat de theorie de Planck massa verkleint. Om een
Schwarzschild straal van 10-17 cm is er nu minder energie nodig dan
in het scenario zonder extra dimensies. Indien bepaalde parameters van deze
theorie gunstig worden gekozen is het inderdaad mogelijk om met enkele TeV aan
energie een microscopisch zwart gat te maken met een straal van 10-17
cm. Nu rijst de vraag of dit zwart gat lang genoeg leeft om meer een meer
energie op te slokken en uiteindelijk heel de aarde te verorberen. Het antwoord
hierop is neen en kan als volgt worden afgeschat:
Een zwart gat verliest een deel van zijn energie door middel van
zogenaamde Hawking-straling. Op een bepaald moment zal het dus minder zwaar
zijn dan zijn kritische massa en vervallen, tenzij het met een sneller tempo
massa aantrekt (hetgeen gebeurt voor de macroscopische zwarte gaten in het
heelaal). Indien men de berekening maakt, en hierin moet ik mijn collega’s
theoretici maar op hun woord geloven, zal zo’n microscopisch zwart gat alleen
maar meer energie opslokken dan wat het aan straling vrijgeeft indien zijn
massa groter is dan 103x107(1+d) GeV, waarbij d gelijk is
aan het aantal extra dimensies. Voor d=2 moet de massa dus groter zijn dan 1024
GeV, hetgeen ook weer veel lager ligt dan de LHC-energie.
Een groot vraagstuk uit de deeltjesfysica is waarom de zwaartekracht zoveel zwakker is dan de andere natuurkrachten. De horizontale as geeft de energie of afstand weer waarop we de kracht bestuderen, de vertikale as is een maar voor de sterkte van de kracht. De wet van Newton beschrijft de volle rode curve, waarbij de zwaartekracht pas even sterk wordt als de andere naruurkrachten bij de Planck schaal van 10**19 GeV. In modelllen met extra dimensies kan men deze Planck-schaal reduceren tot een energie die van de orde is van 1 TeV (rode stippelijn), hetgeen betekent dat kwantumgravitatie-effecten merkbaar kunnen zijn bij de LHC.
De conclusie van het verhaal is dus dat volgens een aantal
theoretisch hypotheses die het bestaan van extra dimensies op submillimeter
schaal postuleren het inderdaad mogelijk is dat er bij de LHC een microscopisch
zwart gat wordt geproduceerd met een straal van de orde van 10-17
cm. Dit zwart gat kan op geen enkele manier sneller energie opslokken dan dat
het zelf uitstraalt door middel van Hawking-straling. Een van de
sleutelargumenten hiervoor is dat het enkel materie kan opslokken uit de
normale 4 dimensionale ruimte-tijd. Er is tot op heden nog geen enkele theorie
geformuleerd die niet in tegenstrijd is met bestaande experimenten en die het
bestaan van stabiele microscopische zware gaten voorspelt bij energieën in het
gebied van de TeV energieschaal van de LHC.
27 Augustus 2008, 15:16 Beste lezers, erg bedankt voor jullie positieve feedback en vragen. Ik weet dat elementaire
deeltjesfysica leeft onder jullie, maar dat het vaak abstract en ontoegankelijk
lijkt. Niets is minder waar. Stuur jullie vragen door, hoe meer hoe liever! We
staan aan de vooravond van het opstarten van de LHC. Hou je ogen en oren open
op 10 september!
De grootste Belgische
wetenschapper
Hebben jullie al
gestemd op je favoriete Belgische wetenschapper? Ik was echt blij toen ik zag
dat er twee deeltjesfysici (Englert en Brout) en één kosmoloog (Lemaître) bij zaten. Iedereen
kent het Higgs-deeltje ondertussen wel al, maar weinigen weten dat Brout een
Englert het als eerste postuleerden, en dat Peter Higgs eigenlijk in zijn werk
naar hen refereert. De keuze is dus evident! Maar wat als de LHC straks
helemaal geen Higgs-boson vindt? Hebben we onze stem dan uitgebracht op een
mooi, maar onjuist idee?
De balans is
opgemaakt
Begin augustus
vond trouwens de ‘International Conference on High Energy Physics’, ICHEP,
plaats in Philadelphia. Ik kon er jammer genoeg niet naartoe, maar was wel
nieuwsgierig naar het laatste nieuws uit ons vakgebied. De ICHEP conferentie
vindt een keer om de twee jaar plaats en is DE grootste van alle deeltjesfysica
bijeenkomsten met rond de 1.000 deelnemers (alleen via persoonlijke uitnodiging).
Het is een plaats waar telkens de balans van het huidige deeltjesonderzoek
wordt opgemaakt en de spotlight was dit jaar gericht op Matt Herndon, de
vertegenwoordiger van de Tevatron experimenten die de laatste resultaten van de
Higgs-analyses van het CDF en D0 experiment kwam samenvatten. Ik ken Matt wel, aangezien ik vier jaar voor hetzelfde experiment werkte (CDF) en ik heb ook alle
interne e-mails gezien die vooraf gingen aan zijn voordracht. Ik denk dat hij
uiteindelijk het finale en cruciale plaatje in zijn presentatie kon stoppen
ongeveer een dag voor hij op het podium moest verschijnen (over vers van de
pers gesproken!).
Het plaatje laat
ik hieronder zien. Op de horizontale as zie je de onbekende massa van het door
het standaardmodel voorspelde Higgs-deeltje. De Tevatron experimenten zijn
enkel gevoelig voor Higgs-massa’s in een relatief beperkt interval, waarvan
hier het interessantste gebied tussen de 155 en 200 GeV is weergegeven. Denk
eraan dat volgens Einstein’s formule massa equivalent is met energie. Om die
reden drukken elementaire deeltjesfysici massa’s uit in de energie-eenheid elektronvolt
(eV).De verticale as is een maat voor
het aantal geproduceerde Higgs-bosonen.
De Tevatron
experimenten hebben tot hiertoe nog geen Higgs boson gevonden en daarom zetten
ze een bovenlimiet (95% Confidence Level) op het aantal geproduceerde Higgs-bosonen. Dit betekent niet dat het Higgs-boson niet bestaat, maar dat het
beperkte staal aan gegevens van de Tevatron-versneller niet groot genoeg is om
met voldoende statistische zekerheid het bestaan van het Higgs-boson aan te
tonen. Er zijn wel kandidaat Higgs-vervallen opgemeten, maar de hoeveelheid
achtergrondprocessen is zo groot dat men niet kan uitsluiten dat onze Higgs-kandidaten gewoon achtergrondprocessen zijn. De statistische significantie voor
het vinden van een nieuw deeltje verhoogt met de vierkantswortel van het aantal
vergaarde gegevens (om 2 keer meer zekerheid te hebben moeten we dus ons staal
aan gegevens verviervoudigen). Daarom is het nu net zo belangrijk om meer
intense bundels te hebben die meer botsingsgegevens opleveren (wat het geval
zal zijn bij de LHC). In de grafiek is de horizontale lijn bij 1 van groot
belang. Deze lijn komt namelijk overeen met het aantal Higgs-bosonen dat het
Standaard Model voorspelt bij elk van die mogelijke Higgs-massa’s.Nu zien we dat bij een massa van 170 GeV de
Tevatron limiet de lijn van het Standaard Model raakt, hetgeen betekent dat
indien het standaardmodel een Higgs-boson bevat, zijn massa niet gelijk is aan
170 GeV.
Nu lijkt dit
banaal, omdat er nog oneindig veel massa’s mogelijk zijn die niet gelijk zijn
aan 170 GeV, maar naarmate de Tevatron meer gegevens verzamelt (en daar zijn ze
op dit moment volop mee bezig) zullen ze een steeds grotere hap uit dit plaatje
gaan uitsluiten. Zo is het heel erg waarschijnlijk dat men binnenkort het
massagebied van 160 tot 175 GeV uitsluit, omdat daar de statistische
gevoeligheid van de Tevatron het grootst is, hetgeen aangeduid wordt met de
groene en gele band in de figuur.
De laaste stand van zaken op het gebied van Higgs hunting. De Tevatron-experimenten vertellen ons hier dat het Higgs-boson met grote waarschijnlijkheid niet een massa van 170 GeV heeft. Op het eerste gezicht lijkt dit een triviale boodschap, maar het betekent wel dat de Tevatron-experimenten stilaan het zoekgebied naar het Higgs-boson beginnen uit te graven. Ofwel vinden ze nog een Higgs, ofwel laten ze een kleiner maar erg moeilijk gebiedje achter voor de LHC om uit te pluizen. (bron: M. Herndon on behalf of the CMS and D0 collaborations, ICHEP '08)
Op diezelfde
conferentie werd ook een belangrijk tweede luik van het geheel ontbloot door Johannes Haller. Naast
de directe observatie van het Higgs-deeltje kan men ook indirect zijn
aanwezigheid meten door zijn invloed op andere processen. Door het erg precies
meten van tal van parameters van het Standaard Model, kan men de meest
waarschijnlijke massa van het Higgs-deeltje voorspellen. Deze voorspelling is
weergegeven in de tweede figuur die ik hieronder bijvoeg. Men ziet hier weer de
mogelijke Higgs massa op de horizontale as en een maat voor de
incompatibiliteit met het Standaard Model op de verticale as. De grijze zone is
een gebied dat door zoektochten bij de LEP-versneller, de voorganger van de LHC
bij CERN, reeds is uitgesloten. De gele en blauwe curven hebben betrekking op
de indirecte metingen. We zien dat het minimum van beide curven, overeenkomend
met Higgs-massa die het meest compatibel is met alle huidige metingen, zich
bevindt op 120 GeV met een foutenmarge van 15 GeV en -5 GeV.
De indirecte metingen van alle Standaard Model parameters geven ons de meest waarschijnlijke waarde van de Higgs massa weer: 120 ( 15) (-5) GeV. (Bron: J. Haller, ICHEP '08)
De Higgs geeft
zich niet zo makkelijk prijs
Wat kunnen we nu
uit het vorige verhaal besluiten?
Zowel het uitsluiten
van een hogere Higgs-massa van 170 GeV als de voorspelling van een 120 GeV
Higgs-massa uit indirecte metingen zijn dus compatibel met elkaar, so far so
good.Maar een lichte Higgs met een
massa die kleiner is dan pakweg 135 GeV is vrij moeilijk te detecteren.De zuiverste manier om een Higgs met zo’n
lage massa te detecteren is door zijn verval in twee fotonen. Nu zijn de
experimenten hiervoor uitgerust en grote teams wetenschappers hebben de laatste
decennia enkel aan de detectie van fotonen en het reconstrueren van het Higgs-boson in fotonen gewerkt, maar het is ook een erg zeldzaam proces waarvoor je
vrij veel data moet verzamelen. Om een Higgs op deze manier te ontdekken, moet
het CMS-experiment een groot staal gegevens verzamelen (in ons jargon: tussen
de 10 en de 20 inverse femtobarn) aan gegevens verzamelen, hetgeen we ten
vroegste tegen eind 2010 zullen bereiken. In dit scenario zullen we het bestaan
van het Higgs-boson aantonen door de aanwezigheid van een ‘bultje’ in het
exponentieel afnemende massaspectrum van twee met elkaar gecombineerde fotonen,
zoals je ziet in de laatste figuur. Merk op dat de Higgs ‘bultjes’ hier voor de
duidelijkheid zijn opgeblazen met een factor 10!
Een natuurgetrouwe simulatie van massaspectrum van een paar fotonen afkomstig uit het verval van een licht Higgs deeltje. De vier bultjes zijn het gevolg van een gesimuleerd Higgs-deeltje bij 4 hypothetische massa's. De bultjes zijn voor de duidelijkheid 10 keer vergroot en zitten bovenop een exponentieel afvallend spectrum van achtergrondprocessen. (Bron: CMS Physics Technical Design Report, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34 (2007) 995–1579)
Klaar voor de
grote start
Het is reeds een
tijdje te zien op de hoofdpagina van CERN (http://www.cern.ch): de aftikkende
klok voor het opstarten van de LHC. Op het moment van schrijven van deze blog
hebben we nog 13 dagen te gaan. Op 10 september zullen voor het eerst
protonenbundels volledig rond de LHC ring circuleren en zal men proberen ze in
botsing met elkaar te brengen. Dit zal gepaard gaan met een wereldwijd media-event, waarbij tal van (jammer dat ik dit moet zeggen) buitenlandse zenders
rechtstreeks verslag zullen uitbrengen over wat er op CERN gebeurt die dag.
Alles zal via de CERN video webcasts live te volgen zijn via de volgende weblink:
http://webcast.cern.ch. Er zal een
beperkte extra mogelijkheid worden aangeboden om lokale pers via een videolink
enkele vragen te stellen aan CERN-medewerkers ter plaatse. De BBC zal een
volledige dag alle gebeurtenissen verslaan via hun radiozenders.
Die 10 september
betekent ook dat het nu echt menens wordt en dat we ons moeten toespitsen op
het nemen van bruikbare data met een hoge efficiëntie. Deze eerste echte data zijn een unieke mijlpaal en van essentieel belang om op latere termijn met veel
vertrouwen nieuwe fenomenen te kunnen ontdekken en bestuderen. We stoppen de
schroevendraaiers even in de lade en gaan kijken of onze detector echt doet wat
hij moet doen en op basis van de conclusies die hieruit voortvloeien gaan we
komende winter onze systemen fijnregelen, fouten corrigeren en het weinig
aantal ontbrekende modules bijwerken en alles te vervolledigen in functie van
de botsingen bij de hoogste energie en met het hoogste rendement in de loop van
2009.
Deze middag vond
er een algemene CMS-vergadering plaats waarin de spokesman, Tejinder Virdee,
het geheel nog eens mooi benadrukte met de woorden:
“10th of
september in some sense marks the passage from a period of almost 2 decades of
construction to the start ofthe period
of physics exploitation”.
Op lokaal niveau gaan de zaken goed, na een reeks interviews heb ik 2 medewerkers aangeworven: een uit Lyon die op 1 september begint en een uit Trieste die op 1 oktober begint. Er zijn nog 2 plaatsen vrij, dus de zoektocht gaat verder.
Ter info: Op dinsdag 21 october (20 uur) ben ik te gast in het wetenschapscafe in Den Hopsack (Grote Pieter Pot Straat) in Antwerpen. Jullie kunnen me daar ontmoeten voor een gesprek over de stand van zaken de verwachtingen van de LHC.
Na mijn vorige blog over het waarom van elementaire deeltjesfysica, ga ik het vandaag eens hebben over het ‘hoe’: de dagelijkse werking van de CMS-detector. Ik lever er deze week zelf mijn kleine bijdrage aan en ga voor het eerst op shift in de controlekamer. Ik betrap me er ook op dat ik er maar niet in slaag om korte blogs te schrijven. Mijn excuses.
Op veiligheidscontrole in de ondergrondse CMS-hal.
Post scriptum
Vooraleerst te beginnen met iets nieuws, wilde ik graag nog even terugkomen op de vraag van W. Poets betreffende het breken van de SU(3)xU(1) symmetrie ende unificatie van de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht. Het visueel meest overtuigende bewijs dat deze krachten bij hoge energie (en dus bij hoge temperatuur in een erg vroeg stadium van ons heelal) verenigd zijn komt van het H1 experiment bij de HERA-versneller aan het DESY laboratorium in Hamburg. In de onderstaande figuur zie je de ‘sterkte’ van de interactie, weergegeven door de werkzame doorsnede, als functie van het kwadraat de energie waarmee een proton aan flarden wordt geschoten. De neutrale processen, aangeduid door de letters NC, zijn dominant bij lage energie en komen overeen met de elektromagnetische wisselwerking. De geladen processen afkomstig van het uitwisselen van W bosonen, zijn afkomstig van de zwakke wisselwerking.Net bij een energie waarde van 100 GeV (ofwelQ2=10.000 GeV) beginnen de rode en blauwe lijn samen te vallen, wat erop wijst dat beide wisselwerkingen met even grote waarschijnlijkheid voorkomen, en ze als een en dezelfde elektrozwakke kracht kunnen worden beschouwd. Dit plaatje is een schoolvoorbeeld van het testen van een theoretisch idee met behulp van nauwgezet uitgevoerde experimenten.
De unificatie van krachten gedemonstreerd bij de HERA-versneller in Hamburg.
Bij een beschikbare energie van 100 GeV vallen beide curven samen,
wat op unificatie van de zwakke en sterke wisselwerking wijst.
Terugkeer naar CERN
Vandaag ben ik voor het eerst sinds lange tijd weer eens op CERN. Tijdens mijn vorige baan in Finland, werkte ik voornamelijk met de Tevatron versneller bij het Amerikaanse Fermilab. Het is zondag en om 16u heb ik ‘shift’ in de controlekamer van het CMS experiment. Inderdaad, de gegevens van een deeltjesdetector worden niet vergaard door een ploeg van operatoren of technici, maar meestal door de fysici zelf. Astronomen voeren over het algemeen ook hun eigen waarnemingen met hun telescopen. Bij deeltjesfysici is het wel zodat we ons instrument niet voortdurend op nieuwe objecten moeten richten. We weten precies waar een wanneer onze mini big-bangs plaatsvinden, en die parameters hangen meestal van de versneller af. Meedoen aan het nemen van data heeft tal van voordelen in ons vakgebied. Er is ten eerste al het sociale aspect: je zit gedurende 8 uur samen met een handvol van je 1500 andere collega’s binnen het experiment. Vaak zijn het mensen uit andere instituten met een ander onderzoeksdomein dan het jouwe (zij zoeken misschien naar extradimensies, terwijl jij de sterke kernkracht bestudeert) en is het interessant om te horen wat hun doorbraken of frustraties zijn. Ten tweede krijg je inzicht in de technische aspecten van je experiment en ga je de meetgegevens echt naar hun waarde schatten. Zo leer je bijvoorbeeld dat een bepaald segment van je caloriemeter erg veel ruis bevat, of dat de binnenste lagen van je sporenkamer eigenlijk uit dubbelzijdige silicium detectoren bestaan, waardoor je dubbel zoveelinformatie uit die lagen kan halen. Voor mezelf geeft het ook altijd een gevoel van trots en respect en zet het me aan om na de terugkeer naar België toch wat meer met die kostbaar verworven data te doen.
I’m the operator with my pocket calculator
Shifts doe je gemiddeld een 4-tal keer per jaar, telkens gedurende een week. Sommige shifts vergen een langer engagement van soms drie maanden en worden vaak door doctoraalstudenten gedaan. Op dit moment is de bouw van de CMS-detector zo goed als klaar en worden alle instrumenten zeer grondig uitgetest alvorens de LHC binnen anderhalve maand zijn eerste deeltjesbotsingen zal uitvoeren. Na het volgen van de nodige veiligheidscursussen (je zit tenslotte 100m onder de grond met een gigantische puzzel van hoogspanningsbronnen, vloeistoffen en explosieve gassen) krijg ik alle toegangsprivileges die ik nodig heb om me op de experimentele site rond te bewegen. Je mag denken dat zoiets alleen in Bond-films voorkomt, maar voor toegang tot de LHC-tunnel die door straling van de versneller geactiveerd zal worden, wordt je zelfs met behulp van een retina-scan geïdentificeerd.
Foto: Een toegangsdeur met retina-scan. Alleen maar in science-fiction films? Nee hoor.
Mijn taak bestaat er deze week uit om de sporendetector van CMS in de gaten te houden. Dit betekent het controleren en manipuleren van de elektrische voeding van dit instrument, de temperaturen van de sensors en de koelcircuits. Dit gebeurt vanuit een controlekamer op de begane grond. Op vaste tijdstippen wordt er ook verwacht dat ik via een 100m diepe liftschacht afdaal naar de experimentele hal waar het experiment zelf staat opgesteld. Daar volg ik een vastgelegd circuit onder, rond en op de detector en die ik een visuele inspectie van de instrumenten, waarbij ik ook op mijn hoede moet zijn voor eventueel verdachte geuren van oververhitte onderdelen of smeltende elektronica en verdachte geluiden van falende pompen, ventilatie-units enzovoort. Bij mijn controle-tour in de hal zie ik nog tal van activiteiten aan de gang: de voorwaartse elektromagnetische calorimeter wordt nog geïnstalleerd en de silicium pixelsporendetector wordt aangesloten. Ik neem de tijd om het allemaal nog eens in me op te nemen. Wanneer de LHC in werking treedt wordt deze hal voor alle toegang afgesloten wegens stralingsgevaar. Vanaf dat moment wordt alles viacomputersystemen bovengronds gecontroleerd. Hoewel dit mijn vierde deeltjesexperiment is krijg ik toch kippenvel. Het geheel is weer een orde groter en complexer dan alle instrumenten waarmee ik tevoren heb gewerkt. Het is een wonder dat het er staat: een pronkstuk van technisch menselijk kunnen.
Even kijken of de kabels nog op de juiste plaats zitten.
Opzij opzij opzij, maak plaats maak plaats maak plaats …
Het is nog een hectische tijd voordat binnen 3 weken de hal voorgoed wordt afgesloten en de LHC versneller begint te proefdraaien met protonenbundels. Bovengronds hebben we problemen met het afkoelen van de sporenkamer: de duizenden microchips die de detector uitlezen genereren erg veel warmte en worden met behulp van freon vloeistofleidingen afgekoeld. Door de laatste werkzaamheden is de detector nog niet volledig afgesloten en is de warmte circulatie rond de chips niet optimaal …
Verschillende malen wordt de detector te warm en zet het elektronische beveiligingssysteem de spanningen automatisch uit, de studenten naast me vloeken, want ze hebben meer gegevens nodig om de sensorste kalibreren en de chips uit te testen.
Dit is nog maar een van de tientallen subsystemen van de hele detector, achter ander schermen en beneden in de hal ondergaan nog tientallen anderen de stress van het laatste moment: het is bijna klaar, maar er is nog zoveel tetesten …
Toch hebben we de eerste gegevens genomen en geanalyseerd met de CMS-detector. Dit komt omdat we een gratis bron van elementaire deeltjes gebruiken: kosmische straling. Onze atmosfeer wordt constant gebombardeerd (ruwweg met 100 deeltjes per vierkante meter per seconde) met protonen, atoomkernen en stofdeeltjes uit de ruimte. Deze genereren een hele ‘regen’ van secundaire vervaldeeltjes, waarvan de meeste gelukkig door onze atmosfeer worden geabsorbeerd, voordat ze het aardoppervlak bereiken. Muonen bereiken het oppervlak wel met een frequentie van 1 muon per vierkante centimeter per minuut. De schade die deze muonen aanrichten maakt deel uit van onze dagelijkse natuurlijke dosis aan radioactiviteit en is gelukkig laag genoeg om te overleven. Vliegtuigpiloten en ruimte reizigers hebben er iets meer last van.
Generale repetitie: met behulp van kosmische straling testen we alle systemen van de CMS detector uit, voordat we de toegang tot de experimentele hal worden ontzegd en LHC gaat proefdraaien.
Onze CMS-detector met een gevoelig oppervlakte van 300 vierkante meter is in staat deze muonen te detecteren, hetgeen onder normale condities een achtergrond is voor de botsingsprocessen die we met de versneller teweegbrengen. Maar op dit moment is het de ideale manier om onze detector te testen en te kalibreren: indien ons magneetveld uit staat moeten we namelijk perfect rechte sporen door gans de detector kunnen reconstrueren met karakteristieke deposities van energie in onze caloriemeters. De onderstaande foto is hiervaneen mooi voorbeeld.
Kosmische straling heeft nog tal van andere geheimen. Misschien een leuk onderwerp voor een toekomstige blog?
Beste lezers, ik ben blij en voel me vereerd om zo nu en dan mijn gedachten eens met jullie te delen. Ik ga het in mijn blog vooral hebben overde natuurkunde van de elementaire deeltjes, en vooral over mijn onderzoek met de Large Hadron Collider (LHC), één van de meest complexe wetenschappelijke ondernemingen ooit, bij het CERN-laboratorium in Genève.
Tot mijn grote vreugde gonst het de laatste maanden ook op het Belgische internet van de berichten over de ontdekking van het Higgs-deeltje, extra dimensies, donkere materie, en zelfs de vernietiging van de aarde met behulp van deze machine: bij Blogspotter bijvoorbeeld of bij De schouders van Newton.
Het toeval wil nu dat ik net deze week bericht kreeg van het FWO Vlaanderen (het grootste publieke financieringskanaal voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek in Vlaanderen) dat ze me de komende 5 jaar met ronduit 1 miljoen dollar gaan financieren in mijn speurtocht naar het Higgs-boson. Vanaf nu mag ik me dus een erkend Higgs-hunter noemen.
Vooraleer ik uitweid over hoe je nu in de praktijk naar een nieuw natuurfenomeen zoekt, is het misschien nuttig om kort uit te leggen wat het Higgs-deeltje nu eigenlijk is en doet. Kort samengevat draait het hierom:
De jaren 70 kenden een enormereeks doorbraken in het onderzoek naar elementaire deeltjes. Natuurkundigen kwamen tot het besef dat een aantal natuurkrachten, de elektromagnetische en de zwakke kernkracht, onderdeel warenvan één en dezelfde onderliggende natuurwet. Dit denkproces wordt vaakunificatie genoemd, en natuurkundigen geloven sterk dat onze natuurwetten uiteindelijk kunnen worden beschreven door één enkele theorie. Deze unificatie toonde aan dat elektriciteit, magnetisme, licht en sommige vormen van nucleair verval manifestaties waren van dezelfde onderliggende theorie die ze de elektrozwakke wisselwerking noemden. Samen met de sterke kernkracht die protonen en neutronen bij elkaar houdt binnen de atoomkern, beschrijft men hiermee alle natuurkrachten op uitzondering van de zwaartekracht na. De theorie staat in zijn huidige vorm bekend als het Standaardmodel van de elementaire deeltjes. De wiskundige formulering van deze kwantumvelden theorie slaagde erin tal van experimenten te verklaren, maar had als probleem dat het alleen massaloze deeltjes beschreef. Men wist uit experimenten dat dit absoluut niet het geval was en drie natuurkundigen, Peter Higgs, Robert Brout en François Englert vonden een oplossing voor de impasse. De laatste twee natuurkundigen zijn trouwens Belgenen professor-emeriti van de ULB. Ze suggereerden dat in een zeer jong stadium van ons universum, net na de big bang, alle deeltjes massaloos waren.Toen ons heelal afkoelde en de energie waarmee deeltjes interageerden, kleiner werd verloor het een deel van haar symmetrie en trad het Higgs-mechanisme in werking.In zijn meest eenvoudige versie is het Higgs-mechanisme geassocieerd met één nieuw deeltje: het Higgs-boson. Het hele concept kende een enorm succes en kon tal van experimenten zeer precies verklaren (tot zelfs op 12 decimalen na!). Het kon ook de massa voorspellen van het Z- en het W-deeltje, de dragers van de zwakke kernkracht en leidde tot hun ontdekking in 1983. Geen enkele andere natuurkundewet is tot op heden zo grondig getest als deze theorie en geen enkele beduidende afwijking is tot hiertoe gevonden. Het enige probleem is dat we het Higgs-deeltje nog nooit hebben gezien.
Rekenen met behulp van tekeningen: Feynman-diagrammen worden dagelijks gebruikt in de elementaire deeltjesfysica. Ze worden gebruikt om interacties tussen deeltjes uit te beelden en effectief ook uit te rekenen. Het bovenstaande diagram illustreert een van de vele manieren om bij de LHC versneller een Higgs-boson te maken: twee gluonen die uit de botsende protonen van de LHC komen, fusioneren tot een Higgs-boson dat op zijn beurt weer vervalt in W-bosonen.
Ik wil de grootste hebben ...
Onze zoektocht wordt bemoeilijkt omdat we geen precies idee hebben van de massa van het Higgs-deeltje, ondanks het feit dat het de massa van alle andere deeltjes voorspelt. Om een deeltje te maken met een versneller moet men uit pure energie massa creëren volgens de alom bekende formule uit Einsteins relativiteitstheorie: E=mc2. Dit gebeurt in een versneller waar men bundels van elektronen of protonen eerst versnelt tot bijna de lichtsnelheid. Indien men deze deeltjes laat botsen zet men kinetische energie om in massa. De afmetingen van versnellers groeien ook meestal met hun energiebereik en de grootste isnu 27 kilometer lang.
We nemen aan dat tot hiertoe onze versnellers niet krachtig genoeg waren om Higgs-deeltjes te maken, maar we zijn niet volledig verloren, want de hierboven beschreven theorie wordt inconsistent indien de Higgs een te hoge massa heeft. Hier komt de nieuwe LHC versneller van CERN op het toneel. Deze machine overbluft al zijn voorgangers en zal bijna tien keer zo krachtig zijn als de huidige meest krachtige versneller, het Tevatron, bij het Amerikaanse Fermilab. Zijn energie wordt uitgedrukt in elektronvolts (eV), de energie die een elektron krijgt wanneer het versneld wordt door een spanningsverschil van 1 Volt. De LHC energie zal 14 Tera-elektronvolt zijn (1TeV = 1012 eV). Deze energie ligt ver boven de theoretische bovenlimiet op de Higgs-massa die ruwweg 1 TeV bedraagt. Dit geeft ons vertrouwen dat we met de LHC-versneller het Higgs-boson gaan vinden, ofwel, indien we niets vinden, de hele theorie wordt onderuitgehaald.
De ondergrondse tunnel met daarin de LHC is cirkelvormig met een lengte van 27 km. De blauwe cylinders zijn de cryostaten van de afbuigmagneten die protonen in een circelvormige baan houden binnen een vacuüm dat beter is dan dat van de ruimte in ons zonnestelsel. De LHC bestaat uit 9.300 magneten die elk worden afgekoeld tot 2 graden boven het absolute nulpunt. In totaal is hiervoor 60 ton vloeibaar helium voor nodig. De prijs van een liter vloeibaar helium is ongeveer die van een goeie fles whiskey.
Afwezigheid van bewijs is geen bewijs van afwezigheid …
Alleen het uitvoeren van experimenten met de LHC zal ons toelaten een antwoord te geven op de vraag of het Higgs-deeltje bestaat of niet. Hoelang het gaat duren voor we zijn bestaan kunnen bevestigen of ontkrachten, weten we nog niet, maar mijn persoonlijke mening is dat we binnen een vijftal jaar toch al behoorlijk wat over de Higgs zullen weten.De jacht op het Higgs-deeltje is trouwens al tientallen jaren open en kwam tot een hoogtepunt in 2000, toen wetenschappers (waaronder ikzelf)die werkten aan de LEP-versneller bij CERN een mogelijke glimp van het Higgs-boson zagen. De LEP-versneller was de voorganger van de LHC en gebruikte dezelfde ondergrondse tunnel. Op het einde van het onderzoeksprogramma van LEP werd deze machine tot het uiterste van zijn kunnen gedreven en bereikte men energieën die een stuk boven haar originele ontwerp lagen. De indicaties waren erg overtuigend maar er waren niet genoeg botsingen bij die ultra-hoge energie geproduceerd om ondubbelzinnig een Higgs-ontdekking op te eisen.
De constructie van de LHC, die in dezelfde tunnel als LEP moest worden ondergebracht, kwam erg in het gedrang. De sfeer is erg moeilijk te beschrijven in woorden, maar de gemoederen onder de onderzoekers laaiden hoog op omdat men enerzijds de Higgs mogelijkerwijs bij de staart had, maar anderzijds men teveel tijd en geld zou verliezen om met de oude versneller meer gegevens te verzamelen. De wetenschappelijke gemeenschap besliste uiteindelijk na lang beraad om er ‘even’ mee te stoppen en de geplande LHC versneller zo snel mogelijk te installeren, zodat we in 2008 weer aan de slag konden gaan. Geweldig nieuws voor de Amerikanen, die hun kans zagen om de Higgs te ontdekken vóór de LHC van start zou gaan. Ze planden meteen een upgrade van hun Tevatron versneller in Chicago en gingen in 2002 massaal op zoek naar het Higgs-deeltje. Op dit moment zoeken zij nog steeds en blijkt dat de Higgs ofwel te zwaar is om in genoeg aantallen bij het Tevatron gemaakt te kunnen worden, ofwel dat de Higgs geproduceerd wordt bij lagere energieën, hetgeen het LEP verhaal zou bevestigen.In dit laatste geval is de energie van de Tevatron wel geschikt, maar zijn de botsende deeltjesbundels niet intens genoeg om voldoende Higgs deeltjes te maken zodat we ze ondubbelzinnig kunnen onderscheiden van tal van achtergrondprocessen die niets met Higgs te maken hebben. Waarschijnlijk hebben de Amerikanen nu hun kans gemist en zal de LHC de fakkel in september overnemen.
Het beeld van een vervallend Higgs deeltje in de CMS-detector. Nu nog een computersimulatie, maar binnenkort hopelijk een mediakopstuk.
Hail the LHC!
Het idee van de LHC versneller bestaat al van 1980, nog voor men begonnen was met de bouw van LEP. Men wist conceptueel wel wat men moest doen om de hoogst mogelijke energie en bundelintensiteit realiseren, maar de technologie was nog absoluut niet voorhanden. Toch zetten men onverwijld door en na tientallen jaren van voorbereiding zullen in september meer dan 7000 natuurkundigen wereldwijd met de LHC aan de slag gaan. Ze zijn verdeeld over4 verschillende experimenten die langs de versneller staan opgesteld. Deze deeltjesdetectoren zijn als ‘camera’s’ die de botsingen tussen protonen die versneld worden met de LHC fotograferen. Ze doen dit 40 miljoen keer per seconde, want dat is de snelheid waarmee de protonenbundels de LHC ring doorkruisen. De hoeveelheid data die op die manier wordt gegenereerd is onmogelijk op te slaan, laat staan te bekijken. Daarom beslissen supersnelle computers ineen miljoenste van een seconde of ze de inkomende gegevens voorgoed weggooien of behouden voor verdere analyse. Uiteindelijk wordt er slechts 1 op een miljoen botsingen bijgehouden voorverdere analyse, maar dan wel de meest interessante die mogelijk het bestaan van een Higgs-deeltje aantonen. De logica van dit reductieproces is erg belangrijk en men probeert een zo breed mogelijk spectrum aan veelbelovende gegevens bij te houden omdat men ook graag nog andere fenomenen bestudeert (waarover meer in een volgende blog).
De CMS-detector is een zogenaamnde multi-purpose detector. Hij meet en reconstrueert alle mogelijke eigenschappen van deeltjes die vrijkomen bij de proton-proton botsingen van de LHC. Zijn structuur is opgebouwd uit lagen, elk met hun eigen speciale meeteigenschappen.
Onze onderzoeksgroep uit Antwerpen heeft jaren mee gebouwd aan de Compact Muon Solenoid, ofwel het CMS-experiment. Het ganse apparaat is een technologisch hoogstandje, is 20x20m groot en weegt 12000 ton. Alles is ondergebracht in een ondergrondse hal, 90 meter diep onder de grond. De structuur van het experiment is zoals die van een ui, met verschillende schillen die elk een bepaald aspect van de LHC-botsingen zullen meten. Zo meten we de banen van de deeltjes die uit de botsing voortkomen, hun energie en hun identiteit. Dit is nodig omdat een Higgs-deeltje erg onstabiel is en ongelooflijk kort ‘leeft’ (10-25 seconde), waarna het vervalt in stabiele dochterproducten. Met behulp van de gegevens van die stabiele dochterproducten reconstrueren we dan de eigenschappen van het oorspronkelijke Higgs-boson.
De installatie van de sporendetector, de binnenste schil van het CMS-experiment. Ook de Universiteit Antwerpen droeg bij tot de bouw van dit onderdeel. Hoe we ons klaarmaken voor de wedloop naar de Higgs en wat we precies gaan doen, leg ik jullie in een volgende blog uit.
Oerknallers
De fysici in de controlekamer van het experiment achtten het veilig genoeg om hun delicate technologische pareltje aan te zetten om te gaan kijken of er meetbare botsingen te registreren zijn. 
De klassieke fysica is in principe deterministisch. Als je zou weten wat de positie en snelheid is van alle deeltjes in het universum op een bepaald ogenblik, dan kun je uitrekenen wat hun positie en snelheid is op eender welk ander tijdstip. Als een appel uit een boom valt en je weet van welke tak hij vertrekt, kun je perfect voorspellen waar hij op de grond zal terecht komen. Omgekeerd kun je als je een appel op de grond vindt, afleiden van welke tak hij is losgekomen. Wiskundig kan je dit terugbrengen tot het zgn. principe van “minste actie”. Dat stelt dan aan elk traject van de appel een grootheid kan verbonden worden die we de “actie” noemen. Het traject waarvoor de actie minimaal is, is het traject dat in de realiteit gevolgd wordt.
