Botsingen tussen de bouwstenen van het universum in de LHC te CERN

Om het universum te kunnen begrijpen moet men het bestuderen op zijn allergrootste en allerkleinste schaal. Van ondenkbaar grote afstanden waarvoor zelfs licht miljarden jaren nodig heeft om ze te doorkruisen, tot de allerkleinste bouwstenen waaruit de materie is opgebouwd. Ze blijken onlosmakelijk met elkaar verbonden en het is dan ook essentieel om de elementaire deeltjes te bestuderen met als doel het grote geheel te kunnen verklaren. De toestand van het heelal vlak na zijn geboorte, de oerknal of Big-Bang, kan men namelijk bestuderen door deeltjes te versnellen en op elkaar te laten botsen met een enorme  energie. We bestuderen de fenomenen in die botsingen net zoals ze plaatsvonden kort na de Big Bang.

Fysici zijn erin geslaagd een model op te bouwen dat de elementaire deeltjes en de krachten die ertussen werken opmerkelijk goed beschrijft. Dit zogenaamde Standaard Model werd in 2012 vervolledigd toen het laatste ontbrekende deeltje, het Brout-Englert-Higgs boson, eindelijk werd ontdekt met behulp van de Large Hadron Collider (LHC) deeltjesversneller in het CERN te Zwitserland. Het Standaardmodel blijkt echter niet volledig en het is dan ook onze missie om in de deeltjesbotsingen op zoek te gaan naar nieuwe fenomenen die niet verklaard worden door het Standaardmodel.

In de LHC worden protonen, een van de bouwstenen van alle materie rondom ons op aarde, op elkaar gebotst. Deze deeltjesversneller is een cirkel met  ongeveer 27 km omtrek en dit 100 meter onder de grond. Met een snelheid die deze van het licht benadert, worden protonen een miljard keer per seconde met elkaar in botsing gebracht. Het is van cruciaal belang dat we een zo groot mogelijk aantal  botsingen verzamelen aangezien we verwachten dat de interessante nieuwe fenomenen zich slechts heel zelden tonen. Sommige nieuwe fenomenen wijzen op het bestaan van nieuwe deeltjes die zich niet laten zien in onze detectoren, en dus moeten we de wetten van de fysica en onze creativiteit gebruiken om het onzichtbare toch zichtbaar te maken.

Figuur 1: De LHC tunnel ligt 100 meter onder de grond nabij Genève. Op een van de botsingspunten staat de enorme CMS detector om alles wat uit de botsing komt waar te nemen.

Maar wat zijn dan precies die nieuwe fenomenen die we willen ontdekken? Momenteel lukt het niet om de zwaartekracht in het Standaard Model op te nemen en weten we niet wat donkere materie is, ook al weten we dat zonder donkere materie ons universum nooit zijn huidige structuur zou kunnen hebben. Leven we in een 4-dimensionale wereld (waarvan drie dimensies de richting in de ruimte weergeven en de vierde de tijd beschrijft), of zijn er extra dimensies die we op het eerste zicht niet waarnemen? Waarom hebben neutrino’s een (weliswaar hele kleine) massa en waar is alle antimaterie naartoe?  Het zijn een paar voorbeelden van de grote vragen die we met de deeltjesversneller proberen op te lossen.

Waar de deeltjes op elkaar botsen, worden enorme detectoren geplaatst om de brokstukken van deze botsingen te detecteren. De CMS (Compact Muon Solenoid) detector is daarvan een voorbeeld. Hij is opgebouwd uit verschillende lagen om alle soorten deeltjes te kunnen identificeren. In onze zoektocht naar zeldzame fenomenen is het echter onmogelijk om alle botsingen te bewaren op een harde schijf voor verdere analyse. Wij moeten met de CMS detector en met behulp van vele snelle computers de zeldzame botsingen selecteren waar mogelijk nieuwe fysica in schuilt. Op een fractie van een seconde wordt beslist of een botsing er interessant uit ziet of niet en uiteindelijk worden er per seconde slechts een duizendtal botsingen bewaard. Van deze botsingen kunnen we een visueel plaatje maken zoals hieronder is afgebeeld. Wat voordien abstract en onzichtbaar leek, is nu plots heel erg reëel en vooral heel zichtbaar. Reken terug naar de oorsprong van de botsing en voilà, je zou zo maar eens een nieuw deeltje kunnen ontdekken! Donkere materie? Supersymmetrische broertjes of zusjes van de gekende deeltjes? Om die te vinden (of om aan te kunnen tonen dat ze niet bestaan) moeten we enkele jaren botsingsdata verzamelen om te zien of er iets onverwachts gebeurd is in al deze botsingen. Eind 2015 zijn we opnieuw begonnen aan de hoogste botsingenergie die de mens ooit op aarde heeft kunnen bereiken. Over de volgende jaren verwachten we meer botsingen te verzamelen dan ooit tevoren. Hoe groter de hooiberg, hoe meer ongekende en dus interessante spelden we hopen te vinden!

Figuur 2: Visualisatie van een proton-proton botsing in de CMS detector met als resultaat twee muonen (rood) en twee elektronen (groen). Een verval van een Brout-Englert-Higgs boson of toch maar een reeds gekend proces?
Relevante weblinks:

CERN: www.cern.ch

IIHE – Interuniversity Institute for High Energies (ULB-VUB): w3.iihe.ac.be

Over de auteur

Seth Moortgat

Seth Moortgat werkt als doctoraatstudent en aspirant van het FWO aan het Interuniversity Institute for High Energies (IIHE) aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB). Deze onderzoeksgroep is onder meer verbonden met het CMS experiment te CERN, waar hij tijdens zijn master opleiding Fysica en Sterrenkunde (ook aan de VUB) drie maanden verbleef tijdens de zomer. Seth houdt zich in het bijzonder bezig met de identificatie van zogenaamde charm-quarks in de CMS detector en de zoektocht naar donkere materie in de deeltjesbotsingen.