De LHC deel 4: Collision day...

06-07-2017

Nieuw elementair deeltje ontdekt en XI_CC++ is de naam



Het gaat om een zwaar deeltje dat tot de familie van de "doubly charmed baryons" behoort en dat uit drie quarks bestaat. © ap.

UPDATE Natuurkundigen hebben bij het Centrum voor Nucleair Onderzoek in Genève een nieuw deeltje gevonden, zo heeft het CERN vandaag bekendgemaakt. Het gaat om een deeltje dat de welluidende naam XI_CC++ kreeg.

Net als het Higgsbosondeeltje dat vijf jaar geleden werd ontdekt, was het door het Standaard Model omtrent het wezen van de materie reeds voorspeld, maar experimenteel bewijs dat de theorie klopte was er nog niet.

Het ding is in de grootste deeltjesversneller ter wereld, de LHC, ontstaan bij de botsing van protonen, legde onderzoeksdirecteur Giovanni Passaleva aan het Duitse persbureau DPA uit.

Het is meer dan 300 keer gezien. Het deeltje heeft slechts 0,0000000000005 seconden bestaan en heeft zich daarbij over een 50 tot 100 miljoenste van een meter bewogen.

Dit volstond voor de wetenschappers, onder leiding van vorsers van de Universiteit van Glasgow, om het bestaan van het deeltje aan te tonen.

Bijna alle materie rondom ons bestaat uit baryonen, bestaande uit drie quarks en waarvan de meest bekende protonen en neutronen zijn. Er zijn zes types quarks. Theoretisch gezien kunnen vele potentieel mogelijke combinaties daarvan andere soorten baryonen vormen.

Het nieuw gevonden deeltje is zwaar en behoort tot de familie van de "doubly charmed baryons". Het bestaat aldus uit drie quarks. Voor het eerst is er daarbij een baryon met minstens twee zware charmquarks gezien, naast een upquark. Het deeltje heeft aldus een massa van 3621 MeV/c2, wat ongeveer 3,5 keer zwaarder is dan protonen en neutronen. Die eigenschap is juist aan die dubbele charm quark te danken.

Nog kenmerkend is dat het de dubbele positieve lading van een proton heeft.

In tegenstelling tot andere baryonen die als het ware dansen rond elkaar, wordt een doubly charmed baryon geacht te handelen als een planetair systeem, waarbij de twee zware quarks de rol spelen van twee zware sterren die rond elkaar wentelen en de lichtere quark rond dit binair systeem draait, aldus Guy Wilkinson, de vroegere woordvoerder van het experiment.

De vondst van het nieuwe deeltje opent perspectieven voor het ontdekken van nieuwe vertegenwoordigers van de familie van double charmed baryons, zegt het CERN nog.

(HLN)

23-08-2017

Welk pad brengt CERN op nieuwe vondsten?


(foto: ScienceGuide)


23 augustus 2017 - “We hebben gewoon geen goede vragen meer” De relatief vroege ontdekking van het Higgs-boson stelt CERN voor een nieuwe kwestie: wat nu? De vraag of de toekomst van het instituut nog wel in versnellers ligt en zo ja, rechte of een ronde, houdt de natuurkundige gemeenschap flink bezig.

Zo’n drie jaar na het opstarten van de Large Hadron Collider (LHC) stuitten de onderzoekers van CERN al op het deeltje waarvoor de versneller gebouwd was. De deeltjesversneller van 27 kilometer omtrek onder de grens van Zwitserland en Frankrijk toonde onomstotelijk het bestaan van het illustere Higgs-boson aan. Een van de laatste voorspellingen van de deeltjesfysica, werd daarmee door twee onafhankelijke teams bevestigd.

Een zegen, omdat het experiment geslaagd was. Een vloek, omdat daarmee ook gelijk het belangrijkste experiment van de vele proeven die voor de LHC gepland stonden was gelukt. Hiermee is de toekomst van onderzoeksinstituut CERN voortijds onderwerp van discussie geworden.

Want wat nu?

Die vraag zal CERN en daarmee een groot deel van de natuurkundige gemeenschap de aankomende jaren flink bezig houden. Want ligt de toekomst van de natuurkunde nog wel in de zoektocht naar elementaire deeltjes? En zo ja, wat is daarvoor dan de beste aanpak?

Geen grote vragen meer

In de aanloop naar 2020, het jaar dat in de agenda staat om deze grote beslissing te nemen, zullen de vele betrokkenen bij CERN hun stellingen moeten gaan betrekken. Het uiteindelijke doel: de vele investeerders in CERN, waaronder de 22 lidstaten en de ‘associates’, overtuigen van wat de volgende stap moet zijn. Eén ding is duidelijk op te maken uit de berichtgeving van de laatste tijd en dat is dat iedereen voorsorteert op een nieuwe of verbeterde versneller, maar waarvoor eigenlijk?

In gesprek met Lyn Evans, oud-directeur van de LHC, werpt hij direct het meest prikkelende probleem op voor het gehele beslissingsproces: “We hebben gewoon geen goede vragen meer.” Volgens Evans staat de deeltjesfysica momenteel met lege handen als het aankomt op het beargumenteren van een volgende grote investering. “Bij de bouw van de LHC wisten we allemaal wat we wilden vinden: het Higgs-boson, dat was ons doel. Nu dat is gevonden zijn de vragen op.”

Lees meer over het reilen en zeilen van CERN in een eerder interview met Lyn Evans.

En dat is een fikse breuk met de traditie van CERN. Al zo’n zestig jaar opereert het internationale onderzoeksinstituut langs een relatief eenduidige lijn: zoeken naar volgende deeltje om de standaardtheorie verder af te maken. Daarvoor is in de regel een volgende versneller met een nog grotere energie – en vaak ook lengte voor nodig. Het terrein van CERN is anno 2017 dan ook een bonte verzameling van apparaten die elk een volgende stap zetten in de ontdekking van subatomaire deeltjes.

Voormalig wetenschappelijk directeur van CERN, Jos Engelen, is het niet geheel eens met zijn oud-collega. “Het klopt dat de vragen die nu voor liggen niet zo dwingend en concreet zijn als de vraag of het Higgs-boson bestond. Maar er zijn nu andere vragen, bijvoorbeeld of en wanneer de vier krachten die de natuurkunde kent inderdaad samensmelten tot een geünificeerde kracht bij een gegeven energie.”

Een van die vragen is de zoektocht naar het bewijs voor de zogenaamde ‘grand unified theory’ (GUT) zou meer licht kunnen werpen op het ontstaan van het universum. De gedachte is dat wanneer de energie in een botsing hoog genoeg is, er nieuwe fenomenen op moeten treden die lijken op de situatie tijdens de oerknal. In de eerste fractie van het bestaan van het universum zou de temperatuur van het heelal volgens namelijk zo hoog zijn geweest dat zwaartekracht, de elektromagnetische kracht en de andere twee krachten samen één waren.

Het klopt volgens Engelen dat er inmiddels al heel veel bekend is maar nog niet genoeg wat hem betreft. “Als je het mij vraagt dan zeg ik dat we op zijn minst nog genoeg vragen hebben voor nog een generatie versnellers.”

Voor hetzelfde geld is het een woestijn…

Om deze en andere theorieën te testen is volgens beiden inderdaad een grotere en krachtiger versneller nodig, zo veel is zeker. “We hebben alleen geen enkel idee hoeveel sterker en hoeveel groter zo’n apparaat moet zijn” licht Evans toe. “Voor je het weet bouw je een versneller die tien keer zo krachtig is, om er vervolgens achter te komen dat er in dat bereik helemaal niets nieuws te ontdekken is. Voor hetzelfde geld is het een woestijn op dat energieniveau, en blijkt dat je eigenlijk vijftig keer zoveel energie nodig had.”

Bovendien is de technologie die nodig is voor het bouwen van een volgende grotere ronde versneller echt nog toekomstmuziek. Het voorstel van ‘Future Circular Collider’ (FCC) studiegroep van CERN, die pleit voor een versneller van 100 km omtrek. “Of we gewoon de huidige technieken moeten optimaliseren, of dat er echt hele nieuwe soorten magneten etcetera. nodig zijn weten we gewoonweg niet. Maar dat ontwikkelingstraject, dat is nu zoiets waar wel afspraken over te maken zijn” zegt Engelen.

Evans heeft zich inmiddels echter bekeerd tot een pad dat hij veiliger acht. In 2012, vlak na zijn pensioen, werd hij directeur van de zogenaamde Linear Collider Collaboration (LCC), het andere internationale comité van CERN dat de toekomst van een rechte versneller moet onderzoeken.

Of de weg vooruit een rechte of een kromme is, daarover worden Evans en Engelen het niet eens. De oorsprong van dit verschil van inzicht ligt in het type deeltje, elektron of proton, dat in deze versnellers op elkaar geklapt wordt. Protonen zijn relatief zware deeltjes die zich wat lastiger laten versnellen maar je kunt ze met magneten wel de bocht om sturen. De LHC laat protonen dan ook talloze rondes versnellen om een grote eindsnelheid te bereiken. Elektronen daarentegen zijn makkelijk te versnellen, maar verliezen veel van hun snelheid als ze afgebogen worden: rechte versnellers dus.

Een conservatieve geest, of pioniersgeest

Zijn nieuwe voorliefde voor rechte versnellers zet Evans theoretisch kracht bij: “Elektronen zijn zogenaamde puntdeeltjes wat wil zeggen dat ze niet samengesteld zijn uit andere deeltjes. De uitkomsten van een botsing tussen twee elektronen levert een duidelijker en preciezer resultaat op dan een botsing van protonen. Protonen zijn namelijk samengestelde deeltjes, waardoor botsingen tussen twee protonen altijd een stuk ‘rommeliger’ zijn.”

Voor Engelen is dit een begrijpelijk argument, maar wat hem betreft niet zaligmakend. “Met elektronen werken mag dan wel preciezer zijn, maar ik vind het allemaal maar weinig ambitieus.” Engelen vindt dat CERN ook een naam hoog te houden heeft als baanbrekend instituut dat altijd op de grens van wat mogelijk is heeft geopereerd. “Ik vind niet dat het bij CERN past om deze koppositie op te geven.”

Een ander prikkelend detail is dat de plannen voor een nieuwe ronde versneller (FCC) of een upgrade van de LHC allemaal op het grondgebied van CERN plaats zouden kunnen vinden. Voor een lineaire versneller van 40 kilometer lengte zal er moeten worden uitgeweken naar een ander continent. “Inmiddels hebben we hiervoor een stabiele bodem, namelijk een blok graniet, in Japan aangewezen en ook in de VS zijn er opties” vertelt Evans.

Daarmee wordt ook de politieke component van deze discussie zichtbaar. Want alhoewel de VS en Japan slechts ‘associate’ members zijn van CERN in het kader van de LHC, hebben deze landen en Japanse en Amerikaanse onderzoekers wel degelijk een groot aandeel in de besluitvorming. Voor sommigen is het dan ook een reëel argument om nu eens een ander land de mogelijkheid te geven om voorop te lopen in de ontwikkelingen.

Dit zou onvermijdelijk betekenen dat CERN zijn krachten moet splitsen over meerdere instituten en dat is voor Engelen onbespreekbaar. “Op CERN is het zo dat er honderden mensen rondlopen met zogenaamde diepte-expertise van bepaalde processen. Dat kan alleen maar omdat we met zoveel mensen samen komen hier. Die kritische massa is essentieel. Als je die gaat verdelen over de wereld om aan andere projecten te werken dan verlies je een van de belangrijkste krachten van CERN, namelijk de ruimte om te specialiseren.”

Toekomst

Alhoewel de meesten het er over eens lijken te zijn dat CERN een nieuwe generatie versnellers moet ontwikkelen is de bredere vraag in de natuurkunde of het onderzoek naar elementaire deeltjes wel voorrang moet hebben. Zelfs Evans heeft hierover zijn twijfels, “Ik denk dat het voor de aankomende tijd essentieel is dat we meer te weten komen over donkere materie en energie. Of we daar een versneller voor nodig hebben dat weet ik niet.”

(scienceguide.nl)

31-08-2018

Higgsdeeltje geeft weer een stukje van zijn karakter prijs

Geen sporen van ‘nieuwe natuurkunde’

Het Higgsdeeltje geeft alle andere elementaire deeltjes hun massa, ook de zogenoemde bottomquark. Higgs vervalt namelijk naar deze bottomquarks, zo bevestigden onderzoekers van deeltjeslaboratorium CERN deze week. Opnieuw een zegen voor het standaardmodel, maar wanneer zien we nu eindelijk weer ‘nieuwe natuurkunde’?

Een prachtig resultaat, maar niet écht verrassend. Zo omschrijven natuurkundigen het kersverse resultaat uit het Europese deeltjeslaboratorium CERN. Het Higgsdeeltje – dat alle andere elementaire deeltjes hun massa geeft – vervalt naar twee bottomquarks. Dat is een relatief zware quark, een soort deeltje dat belangrijk is voor de opbouw van normale materie. Deze week maakten wetenschappers de ontdekking van de gigantische deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) bekend.

Het resultaat wordt toegevoegd aan een rijtje eigenschappen van het Higgsdeeltje dat de afgelopen jaren uit ontelbare botsingen onder het Franse en Zwitserse Alpenmassief is gedestilleerd. We kennen de massa van Higgs (125 GeV) en we weten dat het vervalt naar lichtdeeltjes en een paar W- of Z-bosonen of een paar tau-deeltjes. Mooi, maar het jeukt toch een beetje bij de onderzoekers en natuurkundeliefhebbers die hopen dat het deeltje dat centraal staat in het standaardmodel van de deeltjesfysica nu eindelijk iets doet wat de theorie van onder andere Peter Higgs níet voorspelt.


Weergave van het verval van Higgsdeeltje in twee bottomquarks in de ATLAS-detector. Tegelijkertijd is er een zogenoemd W-boson gecreëerd dat vervalt in een muon en neutrino.
ATLAS/CERN

Hoe onderzoek je het Higgsdeeltje?
Het Higgsdeeltje werd in 2012 officieel ontdekt. Maar hoe onderzoek je een deeltje dat maar een fractie van een seconde bestaat, in een deeltjesversneller die alleen maar protonen versnelt en laat botsen? Higgsdeeltjes ontstaan in de 27 kilometer lange Large Hadron Collider wanneer twee van die protonen met vrijwel de lichtsnelheid op elkaar klappen. Uit zo’n botsing ontspringen allerlei elementaire deeltjes, die razendsnel weer vervallen naar ándere deeltjes. Het is overigens niet zo dat deze deeltjes letterlijk de ‘brokstukken’ van die eerdere deeltjes zijn. De ontstane deeltjes ontlenen enkel hun energie uit de energie die bij de botsing vrijkomt.

Door goed te kijken naar eigenschappen van de deeltjes die uit de botsing wegschieten, bijvoorbeeld de hoeken en energieën, kan zo’n deeltjesregen gereconstrueerd worden. In dit geval (zie afbeelding) genereert de protonbotsing een zogenoemd W-boson en een Higgsdeeltje. Het W-boson vervalt vervolgens in een (detecteerbaar) muon en neutrino, het Higgsdeeltje vervalt in twee bottomquarks.

Weg met de ‘rommel’
Ondanks dat een Higgsdeeltje volgens de theorie in zo’n zestig procent procent van de gevallen naar twee bottomquarks vervalt is dit relatief lastig te onderzoeken. “Er zijn veel andere deeltjes die óók uiteenvallen in twee bottomquarks. Als je naar bottomquarks speurt dan ben je tegelijkertijd naar een scala aan andere interacties aan het kijken” zegt Ivo van Vulpen, deeltjesfysicus van onderzoeksinstituut Nikhef en de Universiteit van Amsterdam die niet bij dit onderzoek betrokken was.


Peter Higgs, een van de voorspellers van het Higgsdeeltje bij een detector van de Large Hadron Collider van CERN.

Toch zijn de bottomquarks die ontstaan uit een Higgsdeeltje te ‘scheiden’ van de overige bottomquarks. De truc is kijken naar een speciaal productiemechanisme: wanneer er uit de protonbotsing zowél een Higgsdeeltje als een zogenoemd Z-boson ontstaat. Naast de bottomquarks uit het Higgsdeeltje, meet de detector dan ook een elektron en een positron afkomstig uit het verval van het Z-boson. “Dat werkt prachtig. Het nadeel is dat deze manier van Higgsdeeltjes maken zo’n tien keer minder voorkomt dan de ‘gebruikelijke’ route. Je moet dus langer meten voordat je dit uit de data kunt halen”, zegt Van Vulpen.

Hoeveel botsingen er nodig waren voor de resultaten van dit onderzoek? “Ontzettend veel”, zegt Van Vulpen. “Ga maar na, elke seconde vinden er zo’n miljard proton-proton-botsingen plaats. Dit werk is gebaseerd op jaren van dataverzameling. Voor dit onderzoek hadden de onderzoekers al acht keer meer data tot hun beschikking dan dat er ten tijde van de ontdekking van Higgs was. Dit is ook een overwinning voor de dataverwerking, die de aflopen jaren ontzettend is verbeterd. In dit onderzoek waren op dat gebied ook Nederlandse wetenschappers van het Nikhef betrokken.”

Nieuwe deeltjes
Een mooi resultaat, maar stiekem hoopte Van Vulpen op iets anders. “Het Higgsdeeltje doet werkelijk in álle opzichten wat zijn voorspellers zeggen dat het zou doen. Het is waanzinnig knap dat ze dit zo lang geleden al voorspelden, maar stiekem hoop je iets anders. Misschien wel iets wat kan wijzen op ‘nieuwe fysica’. Het Higgsdeeltje zou best de poort kunnen zijn naar natuurkunde en deeltjes die we nog niet kennen”, zegt Van Vulpen.

Het is mogelijk dat er elementaire deeltjes zijn die niet of nauwelijks interactie hebben met de deeltjes die we kennen, maar die wél een massa hebben. “Dat betekent automatisch een interactie met Higgs”, zegt Van Vulpen. “Zien we bijvoorbeeld dat Higgs minder vaak vervalt naar de bottomquarks dan verwacht, dan betekent dat misschien dat ze af en toe vervallen naar deeltjes die we nog niet kennen.”


Een lasser werkt aan de Large Hadron Collider. De komende jaren ligt de deeltjesversneller voor langere tijd stil voor een upgrade, zoals ook het geval was tussen 2013 en 2015.
CERN

De onderzoekers van CERN blijven daarom de vervalproducten van Higgs minutieus uitpluizen. Zo kunnen ze nog het verval naar muonen afvinken, en ook zou het Higgsdeeltje naar zichzelf vervallen. Dat vertelt iets over de eigenschappen van het Higgsveld, het veld dat overal aanwezig is en alle andere deeltjes massa geeft. Ook kan het zijn dat er nog meerdere versies van het Higgsdeeltje zelf zijn.

Ondertussen krijgt de LHC de komende jaren een upgrade. Om de meer zeldzame botsingen uit de databerg te kunnen vissen moet die berg groter worden. In de zogenoemde High Luminosity LHC vinden er per seconde nog meer botsingen plaats dan nu al het geval is. Vanaf volgend jaar ligt de machine voor ongeveer twee jaar stil. Geen probleem volgens Van Vulpen. “Er is nu zóveel data dat het onderzoek gewoon doorgaat.”

Bron
Het wetenschappelijke artikel is nog niet gepubliceerd maar ingeleverd voor publicatie bij het wetenschappelijke tijdschrift Physical Letters B.