De Large Hadron Collider 2.0

De Large Hadron Collider 2.0
Wouter Verkerke (NIKHEF)
11
De Large Hadron Collider
LHCb
ATLAS
CMS
Eén versneller – vier experimenten!
Concept studie gestart in 1984!
Eerste botsingen 25 jaar later in 2009!
Alice
!
Botsingen op maximale energie verwacht in 2015!
Maximale intensiteit verwacht in 2025 !
2
De LHC geprojecteerd op de kaart
LHC: 27 km!
Genève
A10: 32 km!
Amsterdam
De LHC versneller
Totale bundel energie gelijk aan die "
van een TGV op volle snelheid
3
De LHC versneller botst protonen op elkaar…
…op zoek naar antwoorden op de "
‘grote open vragen’ over de natuur….
Wouter Verkerke, NIKHEF
4
Wat zijn ‘grote open vragen’?
1.  Wat zijn de kleinste bouwstenen "
waar alles van gemaakt is?"
2.  Welke natuurkrachten bestaan er en "
wat zijn de wezenlijke verschillen?
3.  Is lege ruimte (‘het vacuum’) echt leeg?"
4.  Komt het universum waarin wij leven logischerwijs voort "
uit de big bang met de ons bekende natuurwetten?"
•  Gezocht: een consistente theorie die dit alles beschrijft "
en al deze vragen kan beantwoorden
5
Bouwstenen van groot naar klein
Atoom
Molecuul
Atoomkern
6
Bouwstenen van groot naar klein
Atoom
Molecuul
Atoomkern
6
Bouwstenen van groot naar klein
Atoom
Molecuul
‘Quark’
Atoomkern
Proton/Neutron 6
Bouwstenen van groot naar klein
Atoom
Molecuul
‘Quark’
Atoomkern
Proton/Neutron
6
De bouwstenen van het heelal
•  Maar om protonen en neutronen te maken "
heb je alleen ‘up’ en ‘down’ nodig
•  Alle zichtbare materie kan worden "
opgebouwd uit 3 elementaire deeltjes!
–  Twee soorten quarks en het electron
–  Alle materie (inclusief exotische)"
opgebouwd uit 12 elementaire deeltjes
Alle bouwstenen van materie •  Er bestaan meer elementaire deeltjes dan er in een atoomkern zitten!
–  Exotische deeltjes zijn een essentieel onderdeel van de natuur. "
Zonder hen zou de Big Bang in een ‘leeg’ heelal hebben resulteert…"
"
"
‘top quark’ als "
"
laatste gevonden"
"
want enorm zwaar "
(1996)
"
"
"
"
"
"
"
"
"
•  Hoe weten we dat ze bestaan? Ze zitten niet ‘in’ atomen en ze komen
ook niet vrij voor in de natuur…
–  Die ‘maken’ we – met een beetje hulp van Albert Einstein
Deeltjes maken - Einsteins beroemde formule
•  Relativiteits theorie zegt dat massa en energie uitwisselbare
grootheden zijn
2
E=mc
energie
Wisselkoers (lichtsnelheid kwadraat"
= 90.000.000.000.000.000
massa
•  Conversie van massa levert zeer veel energie op – gebeurt o.a in
kernsplitsing: 1 gram = 21 kton
1 gram = 21 kiloton TNT
1 gram = 25 Gigawatt-uur
Deeltjes maken - Einsteins beroemde formule
•  Andersom kan ook: maak massa (deeltje) uit energie"
"
"
Klassiek botsen: "
"
mna=mvoor
"
"
"
"
"
"
"
Relativistisch botsen: "
mna>mvoor
Lijkt onwaarschijnlijk – maar kan wel op atomaire schaal
Relativitisch botsen:
mna>m
voor
Zeer veel energie nodig (E=mc2 ! m = E/c2) ! "
minuscule hoeveelheden exotische materie geproduceerd. - Maak ca. 0.00000000000001 gram (niet gevaarlijk!)
Het ATLAS experiment in de LHC versneller ring
12
De ATLAS detector
mens
Hoe groot is de ATLAS detector
De ATLAS detector (in aanbouw)
Wouter Verkerke, NIKHEF
13
Een gemiddelde botsing
Wouter Verkerke, NIKHEF
Reconstructie van botsing met een vervallend Higgs deeltje
Higgs deeltje 125x zwaarder dan proton
14
Ontdekking van Higgs deeltje – Juli 2012 / Nobelprijs 2013
Wouter Verkerke, NIKHEF
15
7
Het Standaard Model van elementaire deeltjes
Werkt bij zeer kleine afstanden"
(Kwantummechanica)
(en tegelijkertijd)
Werkt bij zeer hoge energie
(Speciale Relativeitstheorie)
Beschrijft alle "
bekende materie"
(behalve donkere)
Beschrijft alle"
natuurkrachten"
behalve zwaartekracht
Onduidelijk theorie"
ook voor Big Bang "
natuurkunde geldig is
17 onvoorspelde parameters"
Beschrijft maar verklaart niet tal"
van opvallende strukturen in de natuurwetten
9
Het Standaard Model – wat zit erin?
“De formule”
“De bouwstenen van de natuur”
Boodschapper
deeltjes van
natuurkrachten
10
Het Standaard Model – wat zit erin?
“De formule”
“De bouwstenen van de natuur”
Bouwstenen
van materie
Wouter Verkerke, NIKHEF
10
De natuur beschreven in QFT – Het Standaard Model
“De formule”
“De bouwstenen van de natuur”
Het ‘Higgs’ veld
dat de lege ruimte vult
Let op: Standaard Model voorspelt: lege ruimte is niet leeg!
10
De natuur beschreven in QFT – Het Standaard Model
“De formule”
“De bouwstenen van de natuur”
Interactie van Higgs met andere deeltjes (“de oorsprong van massa”)!
! Theorie geformuleerd 50 jaar voordat Higgs
gezien
is! "!
Wouter Verkerke,
NIKHEF
10
Higgs is het begin van een ontdekkingsreis, niet het einde
Experimenteel toegankelijke tot 2012
17
Higgs is het begin van een ontdekkingsreis, niet het einde
Experimenteel toegankelijk in LHC run-2
Wouter Verkerke, NIKHEF
17
Ook goed mogelijk dat Higgs sector veel complexer is…
Wouter Verkerke, NKHEF
17
Waarvan is donkere materie gemaakt?
! Er is overtuigend astronomisch bewijs voor ‘donkere materie’
! Maar waar is het van gemaakt?
! Wellicht van ‘super-partners’ bestaande deeltjes Standaard Model deeltjes!
Supersymmetry
Super-partner deeltjes!
Wouter Verkerke, NIKHEF
18
Als donkere materie super-partners zijn…
…worden ze gemaakt in de LHC"
indien botsingenergie hoog genoeg is
Standaard Model deeltjes!
Ontsnappend super-deeltje
Verdubbelde energie in "
LHC Run-2 helpt enorm! Super-partner deeltjes!
18
De eerste run van de LHC (2010-2012) was een enorm succes
•  De tweede run van de LHC (2015-…) is dit jaar van start
–  Hogere botsingsenergie (7 ! 13 TeV) "
! We schuiven verder op richting de natuurkunde van de Big Bang
–  Data volume effectief ×10 in 2017… tot ×300 in 2030
! Precisie metingen om het nieuwe sector (de Higgs) in kaart te brengen
16
Wat is er met de LHC gedaan?
Wouter Verkerke, NIKHEF
Betere focussering van bundels ! meer botsingen
Wouter Verkerke, NIKHEF
Hobbels op de weg…
Wouter Verkerke, NIKHEF
Ook de experimenten zijn verbeterd voor Run-2
Installatie nieuwe IBL detector laag in het hart van ATLAS
Wouter Verkerke, NIKHEF
Start van de LHC bij hogere energie – April 2015
Wouter Verkerke, NIKHEF
Hoe doet de LHC het nu bij hogere energie?
Wat betekent een 2x hogere bundelenergie?
Sopwith Camel (185km/u)
Lockheed SR-71 (3540 km/u)
Wouter Verkerke, NIKHEF
Hoeveel energie komt er vrij bij een botsing?
•  Dat verschilt per botsing, omdat protonen samengestelde deeltjes zijn"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
•  Effectieve botsing vindt plaats tussen twee quarks elk een fractie van de
proton energie hebben
•  Meeste botsingen hebben effectief een lage energie, slechts heel af en
toe een harde botsing
•  Maar bij hogere bundelenergie neemt fractie harde botsingen snel toe
Hoeveel energie komt er vrij bij een botsing?
"
"
"
"
"
"
Toename in het aantal botsingen in Run-2
•  Dat verschilt per botsing, omdat protonen samengestelde deeltjes zijn"
"
"
"
•  Effectieve botsing vindt plaats tussen twee quarks elk een fraktie van de
proton energie hebben
•  Meeste botsingen hebben effectief een lage energie, slechts heel af en
Energie die vrijkomt bij botsing
toe een harde botsing
•  Maar bij hogere bundelenergie neemt fractie harde botsingen snel toe
Hoeveel energie komt er vrij bij een botsing?
"
"
"
"
"
"
Toename in het aantal botsingen in Run-2
•  Dat verschilt per botsing, omdat protonen samengestelde deeltjes zijn"
"
"
"
Hypothetische"
zeer zware deeltjes x40 Higgs deeltjes
productie (x2.3)
•  Effectieve botsing vindt plaats tussen twee quarks elk een fraktie van de
proton energie hebben
•  Meeste botsingen hebben effectief een lage energie, slechts heel af en
Energie die vrijkomt bij botsing
toe een harde botsing
•  Maar bij hogere bundelenergie neemt fractie harde botsingen snel toe
Hoeveel botsingen levert de LHC in Run-2?
LHC Run-1 (8 TeV)
LHC Run-2 (13 TeV)
Nog niet zoveel, want we zijn net begonnen… Wouter Verkerke, NIKHEF
Hoeveel botsingen levert de LHC in Run-2?
LHC Run-1 (8 TeV)
LHC Run-2 (13 TeV)
Nog niet zoveel, want we zijn net begonnen, "
maar het gaat nu heel hard…
Wouter Verkerke, NIKHEF
Hoeveel botsingen levert de LHC in Run-2?
LHC Run-1 (8 TeV)
Maar hoge energie helpt!
Voor productie van hypothetische
2 TeV deeltjes is laatste maand Run-2 data "
net zo krachtig als 2 jaar Run-1 data
LHC Run-2 (13 TeV)
Nog niet zoveel, want we zijn net begonnen, "
maar het gaat nu heel hard…
Wouter Verkerke, NIKHEF
Een hele harde LHC botsing in Run-2
Verkerke, NIKHEF
Voldoende botsingsenergie om een deeltje met 6000x proton massa teWouter
maken!
Een hele harde LHC botsing in Run-2
Wouter
Verkerke,
Voldoende botsingsenergie om een deeltje met 5000x proton
massa
te NIKHEF
maken!
Zit er een nieuw deeltje in deze botsing?
Een zwaluw maakt nog geen zomer…
Wouter Verkerke, NIKHEF
De spannenste botsing tot nu toe….
Verwacht slechts 0.002 van dit botsingen met M>2.5 tot nu door Wouter
achtergrondsprocessen
Verkerke, NIKHEF
De korte eerste run van de LHC was een enorm succes (Higgs!)"
•  De tweede run van de LHC brengt, begonnen in Juni brengt "
"
! Een ontdekkingsreis in ‘werelddeel Higgs’"
dat tot nu toe altijd verborgen was"
"
! Net begonnen, en nu nog weinig data, maar er komt veel meer aan"
we verwachten 100x zoveel te hebben over 3 jaar)
! Schuift grens onderzoek onder extreme afstand & energie verder op."
Ruimte voor talloze verrassende ontdekkingen !
"
Wouter Verkerke, NIKHEF
30