Dubbel zo sterke deeltjesversneller LHC jaagt op nieuwe deeltjes waaronder donkere materie

Twee jaar lang lag de krachtigste deeltjesversneller van de wereld stil voor onderhoud. Nu maken wetenschappers voorzichtige testritjes met de LHC, zodat deze in mei met bijna het dubbele vermogen nieuwe deeltjes gaat zoeken.

19 maart 2015

De 27 kilometer lange Large Hadron Collider waarmee het Higgsdeeltje werd ontdekt, was in 2013 toe aan onderhoud. De afgelopen twee jaar zijn er systemen gereviseerd, vervangen én bijgekomen. Ook detectoren en computers kregen upgrades.

Een lasser werkt aan de Large Hadron Collider. Tussen 2013 en 2015 lag de deeltjesversneller twee jaar stil voor onderhoud. De machine heeft onder andere sterkere stroomverbindingen tussen de verschillende magneten gekregen. — Een lasser werkt aan de Large Hadron Collider. De afgelopen jaren zijn de 1232 supergeleidende magneten van de deeltjesversneller vervangen, maar kreeg hij ook extra stroomverbindingen, de koeling werd gereviseerd en het vacuümsysteem kreeg een upgrade.
CERN

De LHC was al de krachtigste versneller in de wereld en gaat nu protonen met nog meer energie tegen elkaar smijten. 13 TeV om precies te zijn: de energie waarvoor hij ontworpen is. Nicolo de Groot, professor van de afdeling Experimentele hoge-energiefysica van de Radboud Universiteit Nijmegen zegt: “Door een ongeluk in 2008 heeft de machine veel langer op een lage energie gedraaid. In eerste instantie op 7 TeV, later op 8 TeV. Verder durfden de ontwerpers niet te gaan vóórdat alle stroomverbindingen gecontroleerd en verbeterd werden.”

De Groot – zelf betrokken bij het ATLAS-project – was de afgelopen week op CERN in Zwitserland, waar wetenschappers druk bezig zijn om de detectoren in gereedheid te brengen voor de experimenten. Vanaf 15 mei botsen er twee bundels met een totale energie van 13 TeV op elkaar.

Een hogere energie betekent dat er zwaardere deeltjes kunnen ontstaan, deeltjes die tot nu toe niet in het bereik van deeltjesfysici lagen.

Opbouwen en afbreken binnen een fractie van een seconde

De LHC maakt nieuwe deeltjes door protonen met hoge energie op elkaar te laten botsen. Na samensmelting ontstaan mogelijk nieuwe deeltjes. Doorgaans zijn deze deeltjes erg instabiel en vervallen ze binnen een fractie van een seconde via een vervalreeks weer uit elkaar in verschillende stabielere deeltjes. De meeste detectors nemen die vervalproducten onder de loep. Het is aan de wetenschappers om via deze ‘brokken’ te reconstrueren waarmee de vervalreeks is begonnen.

Meer Higgs en het gluino

Bovenaan de lijst met deeltjes die ontdekt kunnen worden bij hogere energieën staat het gluino. Dit deeltje wordt voorspeld door supersymmetrie, een theorie die stelt dat ieder deeltje uit het standaardmodel een zwaardere partner heeft. Het gluino is de partner van het gluon.

Het gluino is waarschijnlijk instabiel en vervalt binnen no-time naar lichtere deeltjes. Dat zijn stabiele en detecteerbare deeltjes die we kennen uit het standaardmodel. Verder ontstaat er een neutralino, een (relatief) licht supersymmetrisch deeltje dat ongezien de detector verlaat. “Doordat we energie ‘missen’ als we alle deeltjes bij elkaar optellen wordt zo’n deeltje toch zichtbaar”, zegt De Groot, die denkt dat het gluino snel gevonden wordt als het in het nieuwe bereik van de LHC ligt.

Het neutralino is belangrijk omdat het een goede kandidaat is voor donkere materie, dat in grote hoeveelheden aanwezig is in het universum. De materie die sterrenkundigen daadwerkelijk zien is namelijk niet genoeg om bijvoorbeeld het bewegen van sterren in sterrenstelsels te verklaren. Er moet iets zijn dat voor ‘extra’ zwaartekracht zorgt: donkere materie bestaande uit deeltjes die we niet met onze telescopen zien.

Dit sterrenstelsel leverde een bewijs voor donkere materie. — De bewegingen van deze clusters van sterrenstelsels zijn alleen te verklaren met de aanwezigheid van grote hoeveelheden donkere materie.
NASA, X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al. Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. Lensing, CC By 2.0

Naast de hogere energie die protonen in de LHC meekrijgen worden er ook méér protonen op elkaar gebotst. De tijd tussen verschillende ‘pakketjes’ van protonen gaat van vijftig naar vijfentwintig nanoseconden.

Dat levert extra data op en is goed voor bijvoorbeeld de verdere zoektocht naar de eigenschappen van het Higgsdeeltje. “We zijn nu zo ver dat we precisiemetingen aan Higgs willen doen”, zegt De Groot. “Is er echt maar één Higgsdeeltje, of zijn er nog zwaardere Higgsen? En wat is de koppeling tussen het Higgsdeeltje en andere deeltjes? Om die vragen te kunnen beantwoorden is veel meer data nodig.”

Tot slot is het mogelijk dat het Higgsdeeltje en de relatief zware donkere materie een sterke koppeling hebben. “Je kunt Higgs niet alleen onderzoeken maar ook weer inzetten om donkere materie te vinden”, aldus De Groot.

Een deeltjesversneller opvoeren

Het versnellen van protonen tot nog hogere energieën is geen probleem, dat is een kwestie van meer rondjes door de versneller maken. Het is veel moeilijker om de protonen vervolgens in het gareel te houden en ze door de 27 kilometer lange cirkelvormige tunnel van de LHC te sturen. 1232 magneten langs het parcours geven de protonen steeds een zetje in de goede richting.

Een deel van de 27 kilometer lange tunnel waarin deeltjesversneller LHC is opgesteld. — De flauwe bocht in de 27 kilometer lange tunnel van de LHC is ‘scherp’ voor deeltjes met bijna de lichtsnelheid.
ATLAS Experiment/CERN

“De afbuigkracht voer je synchroon op met de energie van bundel”, zegt De Groot. “Nu de LHC harder gaat draaien, moeten we ook harder afbuigen. We werken daarom met zeer sterke magneetvelden van uiteindelijk 8,3 tesla. Die velden buigen niet alleen protonen af maar ook de machine, er komen bijvoorbeeld krachten op de kabels te staan. Alles moet erg stevig vastzitten.”

Momenteel wordt de LHC getest. Hij zit in de fase van het zogenoemde beam-splashen. Daarbij wordt er door slechts een deel van de versneller een bundel gestuurd om de systemen te testen. In de week van 23 maart maken protonen de eerste volledige ronde.”

De komende 2,5 jaar draait de LHC op volle kracht, tot het einde van 2017. Daarna volgt er weer een grote onderhoudspauze om de detectoren klaar te maken voor bundels van een hogere intensiteit. De energie van de protonen gaat dan niet meer omhoog. Hopelijk is deze nieuwe topsnelheid genoeg om weer een aantal nieuwe deeltjes aan de deeltjesdierentuin te voegen.

Reageer