Bijzondere leerstoel Hoge Energie Fysica

Bijzondere leerstoel Hoge Energie Fysica
Vak: 14125 Onderwerpen uit de Hoge Energie Fysica, B. van Eijk, 3SP.
Algemeen
Vestigingsplek van de vakgroep:
Het college wordt gegeven aan de Faculteit Technische Natuurkunde in het 2e en 3e trimester
gedurende zes opeenvolgende weken (m.u.v. weken 52 en 1): twee uren (5e en 6e uur) op donderdag
en aansluitend twee uren (3e en 4e uur) op vrijdag (zie rooster). In totaal omvat dit 24 collegeuren.
Tijdens het college worden vraagstukken uitgedeeld welke direct betrekking hebben op zowel de
gepresenteerde onderwerpen als de aanvullende stof behandeld in het boek van David Griffiths:
‘Introduction to elementary particles’ (John Wiley & Sons, ISBN 0-471-60386-4). De vraagstukken
leiden samen met een mondeling tentamen tot een uiteindelijke beoordeling. De docent is
wetenschappelijk medewerker van het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica
(NIKHEF) in Amsterdam. Stages bij dit instituut en afstudeerwerk vinden over het algemeen plaats in
het kader van het ATLAS project, waarvan de docent een van de NIKHEF-projectleiders is.
Activiteiten binnen het kader van het ATLAS project vormen de voorbereiding voor de realisatie van
een deeltjes detector bij het Europese laboratorium voor elementaire deeltjes fysica, CERN, in Genève,
Zwitserland.
Beknopte omschrijving van de leerstoel (onderzoeksgebied e.d.):
De NIKHEF-ATLAS groep neemt deel aan de ATLAS collaboratie ter voorbereiding van een detector
voor proton-proton botsingen aan de nieuwe Large Hadron Collider (LHC) van CERN, welke naar
verwachting in 2005 in bedrijf komt. De LHC is een ringvormige proton-protonbotser, welke twee
protonbundels tot 7 Tera electron Volt (TeV) in tegenovergestelde richting versnelt, vervolgens opslaat
en de protonen tot botsing brengt bij een zwaartepuntsenergie van 14 TeV. De botser wordt opgesteld
in de 27 km lange ringvormige LEP tunnel op een gemiddelde diepte van 100 m onder de grond. De
ATLAS detector is geprojecteerd in een hal rondom de bundelas op deze diepte. Een van de
belangrijkste doelstellingen van het experimentele programma is het zoeken in de proton-proton
botsingen naar de productie van het Higgs boson dat voorspeld wordt in het zgn. Standaard Model ter
verklaring van de massa's van de ijkbosonen in de electrozwakke interactie. Verder kan voor het eerst
een nieuw energiegebied geëxploreerd worden, waarin aanwijzingen gevonden kunnen worden voor
nieuwe verschijnselen, die samenhangen met unificatie van alle elementaire wisselwerkingen
(elektromagnetisme, zwakke interactie (radioactief verval), kernkrachten en gravitatie). De NIKHEFATLAS groep bestaat uit wetenschappelijke medewerkers van het instituut in Amsterdam, de NIKHEF
groep aan de Universiteit van Nijmegen (KUN), stafleden van de Universiteit van Amsterdam (UvA)
en KUN, AIO's, OIO's en studenten van de deelnemende instituten.
Beschrijving van vakgebied/onderzoek:
Het onderzoeksgebied wordt bepaald door het ontwerp van de ATLAS detector. Deze kan beschreven
worden als een opeenvolging van concentrische schillen van subdetectoren rondom het interactiegebied
van de twee protonbundels. De binnenste schil bevat de ‘binnenste detector’, welke bestaat uit diverse
types spoordetectoren, geplaatst in het solenoidale veld van een supergeleidende magneet met as langs
de bundelrichting ter meting van de impuls (energie) van geladen deeltjes afkomstig van bijv. verval
van een Higgs boson. De volgende schil bestaat uit ‘calorimeters’, welke de totale energie van geladen
en ongeladen vervals- en reactieproducten meten. De laatste schil bestaat uit ‘muonkamers’, welke
geplaatst zijn in een toroidaal magneetveld opgewekt door een stelsel van acht supergeleidende spoelen
ter meting van de impuls van muonen, welke slechts gering energieverlies in het dichte materiaal van
de calorimeters ondergaan en als zodanig geidentificeerd kunnen worden door de grote penetratie door
materie. De ATLAS detector heeft een doorsnede van 22 m en een lengte van 46 m. De activiteiten
van de NIKHEF-ATLAS groep omvatten de volgende vieronderdelen:
1.
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van specifieke types spoordetectoren voor de
‘binnenste detector’. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen sensoren welke zeer dicht
rondom het interactie gebied van de protonbundels geplaatst worden en de detectoren op grotere
afstand van de bundels. Dichtbij het interactiegebied, is de dichtheid van (geladen) deeltjes
bijzonder hoog zodat hier hogere eisen aan oplossend vermogen en stralingstolerantie gesteld
dienen te worden. De groep houdt zich actief bezig met de ontwikkeling van silicon
pixeldetectoren waarbij (vgl. Charge Coupled Device –CCD- sensoren) de uitleessnelheid, het
positie-oplossend vermogen (~15 micrometer) en stralingsbestendigheid bijzonder hoog dienen te
zijn. Verder van de bundelas worden silicon stripdetectoren toegepast, zodat mbv. een
vergelijkbare halfgeleider technologie als voor de pixels, nu echter per vlak slechts een
ruimtelijke coördinaat bepaald kan worden. Door meerdere vlakken achter elkaar te plaatsen
(onder verschillende hoeken) wordt een twee-dimensionele positiebepaling gerealiseerd. Onder
de extreme stralingsomstandigheden dicht bij het interactiegebied neemt de verwachte
levensduur van silicon detectoren drastisch af. Onderzoek naar alternatieve sensormaterialen
heeft geleid to prototype ontwikkelingen, waarbij silicium vervangen is door kunstmatig gegroeid
diamant.
Een tweede zeer belangrijk aspect is het ontwerpen van zeer lichte draagstructuren met zeer hoge
mechanische stabiliteit gebaseerd op koolstofvezel materialen. Teveel materiaal geeft aanleiding
tot onacceptabel veel Bremsstrahlungverliezen voor hoogenergetische electronen, welke een
onnauwkeurige positie- en energiebepaling tot gevolg heeft. Tevens neemt de kans op conversie
van fotonen in electron-positronparen toe, welke de meting van de energie van de fotonen in de
calorimeter verslechtert.
Tenslotte worden diverse aspecten van de electronica ontwikkeld, zoals geintegreerde analoge- en
digitale front-ends voor de controle van de detector en dataverwerking, in de vorm van
‘Application Specific Integrated Circuits’ (ASIC). Deze chips worden direct op de detector
gemonteerd en dienen derhalve in een stralingsharde versie uitgevoerd te worden.
2.
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van grote aantallen ‘muonkamers’ van zeer
grote afmetingen. De muonkamers bestaan uit 30 mm diameter dunwandige aluminiumbuizen
met een centrale anodedraad, welke met een te selecteren gasvulling op overdruk als zogenaamde
drift buizen bedreven worden. Een muon (‘zwaar electron’), dat de driftbuis passeert, veroorzaakt
een primaire ionisatie. De tijdsduur van de drift van de primaire electronen naar de anode is een
maat voor de positie, waarop het muon de buis gepasseerd is.
Het onderzoek richt zich vooral op een nauwkeurige en lichte constructie van grote kamers van
ongeveer 3 x 6 meter. De nauwkeurigheid dient groot te zijn om de systematische fout op de
plaatsbepaling (< 20 micrometer) en dus van de impulsmeting te minimaliseren. De constructie
moet licht zijn om de Coulombverstrooiing van de muonen te beperken, welke anders de
nauwkeurigheid van de impulsmeting vermindert. Het NIKHEF heeft een sterke traditie op het
gebied van de bouw van grote muondetectoren. Onderzoek wordt gedaan aan de keuze van het
gasmengsel in de buizen en aan het operatiepunt voor het driftproces voor de gegeven
buisdiameter. Een belangrijk punt is de controle van de alineëring van de gehele
muonspectrometer. Dit is een specialisme van het NIKHEF, waar het RASNIK
alineëringssysteem ontwikkeld is. Dit systeem bestaat uit een masker met een gecodeerd patroon,
dat met infrarood licht belicht wordt, zodat via een lens het patroon afgebeeld wordt op een CCDcamera. De transversale verplaatsing van de lens t.o.v. masker en CCD kunnen met een
nauwkeurigheid van 0.5 micron bepaald worden en de longitudinale positie van de lens tussen
masker en CCD wordt met een precisie van 50 micron gemeten.
3.
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van een 2e niveau triggersysteem ter selectie
van specifieke gebeurtenissen, welke bijv. een Higgs boson bevatten, op basis van de voorspelde
eigenschappen van diverse vervalskanalen van het Higgs deeltje. De trigger is een cruciaal
onderdeel van elke deeltjes-detector. De analoge en digitale electronische informatie van de
subdetectoren wordt op diverse tijdniveaus gebruikt voor de selectie van interessante
gebeurtenissen. Hiertoe wordt gebruikgemaakt van de krachtigste processoren, die op de markt
verkrijgbaar zijn. De studie van de eigenschappen van zulke processoren en de toepassing
daarvan voor het ontwerp en de constructie van een triggersysteem is een geavanceerd
specialisme op het NIKHEF.
4.
Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe programmeersystemen voor de simulatie en analyse van
specifieke gebeurtenissen in proton-proton botsingen. Voor het ontwerp van de ATLAS detector
worden uitgebreide simulaties gemaakt van vele processen, waarin nieuwe deeltjes geproduceerd
worden. Deze simulaties spelen ook een belangrijke rol in de beschrijving van de uiteindelijke
detector ter bepaling van de acceptantie voor een gemeten proces. De reconstructie van de
gemeten gebeurtenissen en de fysica analyse vereisen omvangrijke rekenprogramma's. Hiermee
is veel rekentijd gemoeid. Het ontwerp van de software en de keuze van de hardware is dus een
belangrijke factor in het opzetten van een efficiënt en economisch systeem. Het NIKHEF speelt
een vooraanstaande rol bij dit onderzoek.
Omschrijving onderwijs
Afstudeerprojecten:
Binnen het kader van boven beschreven onderzoeksprogramma heeft de student de keuze een project te
kiezen voor een afstudeeropdracht. Gedurende de afstudeerperiode is een bezoek aan het CERN niet
uitgesloten. Tevens bestaat de mogelijkheid om mee te werken aan een aantal nieuwe R&D projecten.
Een voor beeld is ‘GRAIL’, een zwaartekrachtsgolven experiment waarbij de UT actief betrokken is.
Keuzepakket:
Het wordt aanbevolen minstens een selectie uit de volgende vakken in het keuzepakket (indien niet
reeds aanwezig in het afstudeerpakket) op te nemen:
-
klassieke mechanica
voortgezette quantummechanica I, II en III
electromagnetisme, velden en golven
relativiteitstheorie
hoge energie fysica
Verder dient tijdens het stageverblijf een college veldentheorie gevolgd te worden aan de U.v.A. Het
volgen van een selectie uit de volgende wiskunde vakken strekt eveneens tot de aanbeveling:
-
functionaalanalyse I
complexe functietheorie
globale analyse grondslagen II
partiele differentiaalvergelijkingen
numerieke oplossingsmethoden
matrixtheorie
kansrekening voor EL
Aanpassingen/aanvullingen in overleg met docent/dekaan.
Stagemogelijkheden:
Het wordt aanbevolen voor een lange stage verbonden te zijn aan een van de bovenbeschreven
activiteiten bij het NIKHEF in Amsterdam. Het onderzoek omvat ook het testen van apparatuur in
deeltjesbundels op het CERN in Genève. De studie kan voortgezet worden met een promotieonderzoek
gedurende vier jaren. De student/promovenda/us doet ervaring op in een breed spectrum van
activiteiten, in een internationale omgeving, welke haar/hem een goede uitgangspositie op de
arbeidsmarkt verschaft.
Additionele informatie
Aanmelding bij vakgroep: Degenen, die geinteresseerd zijn in het afstuderen in de Hoge Energie
Fysica, kunnen contact opnemen met de docent. Naast de jaarlijkse rondleiding bij het NIKHEF in het
kader van de leerstoelvoorlichting, is het aan te bevelen voorafgaand in overleg met de docent een
bezoek aan het NIKHEF te brengen. Meer informatie m.b.t. NIKHEF en CERN kan gevonden worden
op WWW via de NIKHEF-pagina (http://www.nikhef.nl/) onder ‘Research Activities’.
Adres Docent:
NIKHEF
Kruislaan 409
Postbus 41882
NL - 1009 DB Amsterdam
tel: 020 - 592 5091
fax: 020 - 592 5155
e-mail: [email protected]
-Bob van Eijk
NIKHEF
Tel.: +31 - (0)20 - 592 5091
P.O. Box 41882
FAX: +31 - (0)20 - 592 5155
NL - 1009 DB Amsterdam
e-mail: [email protected]