Bron: Kennislink

VIDI-subsidie voor zoektocht naar donkere materie

Op het beeldscherm van Wouter Hulsbergen staan getallen en grafieken. Het zijn bijzondere getallen en unieke grafieken, want ze zijn afkomstig van de eerste veertig botsingen die geregistreerd zijn in LHCb. LHCb, ook wel LHC-beauty genoemd, is één van de vier detectoren die opgesteld staan rondom de Large Hadron Collider. Deze deeltjesversneller is pas geleden opgestart. Sinds kort is hij ook de krachtigste versneller ter wereld. LHCb is gebouwd om beauty-quarks (ook wel b-quarks) te bestuderen en op die manier de subtiele verschillen tussen materie en antimaterie te ontsluieren. Maar door zijn bijzondere manier van meten is hij ook erg geschikt voor de zoektocht waarvoor Hulsbergen dit jaar een VIDI-beurs in de wacht sleepte: de speurtocht naar deeltjes uit het supersymmetrische deel van het Standaardmodel.

LHC-beauty

LHCb is een van de vier experimenten die rondom de deeltjesversneller staan opgesteld. De ‘b’ staat voor ‘beauty’, de naam van een bepaald soort quarck. Dit piepkleine elementaire deeltje wordt gezien als de mogelijke verklikker van het verschil tussen materie en antimaterie, omdat het b-quarck zich anders gedraagt dan het anti-b-quarck.

Door de specifieke vorm van detectie is LHCb ook erg geschikt voor de zoektocht naar donkere materie. Hij kan wel een miljoen botsingen per seconde analyseren, een heel hoog aantal dat van pas komt als je op zoek bent naar iets heel zeldzaams. Afbeelding: © CERN

Standaardmodel plus

Hoe zit dat ook alweer met het Standaardmodel? De Nederlandse natuurkundigen Veltman en ’t Hooft wonnen er in 1999 nog de Nobelprijs voor. Het model, waarin alle bekende materie en de interactie daartussen ligt besloten, lijkt alleen niet helemaal compleet te zijn. Naast de bekende quarks en leptonen uit het model en de krachtdeeltjes die hun interactie regelen, moet er nog een ander deeltje aanwezig zijn: het Higgs-boson. Dit deeltje is nog nooit gevonden, maar is nodig om de massa van alle andere deeltjes te verklaren. Bij berekeningen over dit Higgs-deeltje bleek dat het ongelofelijk zwaar zou moeten zijn, tenzij alle bekende deeltjes ook nog een partner-deeltje hebben. Die partnerdeeltjes zijn de kern van de supersymmetrie-theorie.

Het is moeilijk om uitspraken te doen over iets wat we niet kunnen zien, maar toch bestaat er voor de supersymmetrische deeltjes een model waar veel natuurkundigen het over eens zijn. Dit minimale supersymmetrische standaardmodel geeft alle bestaande deeltjes een partner die een klein beetje van ze verschilt. De partnerdeeltjes hebben een andere spin dan de bekende deeltjes. Ook hun gewicht is niet hetzelfde – en dat is iets wat we wél zeker weten, want anders hadden we ze allang moeten zien. Het lichtste deeltje uit dit model (lightest supersymmetric particle of LSP) is stabiel, en heeft dus een oneindig lange levensduur. En het is juist dit deeltje waar niet alleen natuurkundigen maar ook kosmologen juichend enthousiast over zijn: het zou namelijk het bestanddeel van de mysterieuze donkere materie die een groot gedeelte van ons heelal vult kunnen zijn.

Het Standaardmodel

In het Standaardmodel van deeltjes komen drie verschillende soorten deeltjes voor: leptonen, quarks en bosonen of krachtdeeltjes. De materie zoals we die om ons heen zien is gemaakt van een combinatie van quarks en leptonen. Deze deeltjes kennen drie families. De bekendste, degene waar wij van gemaakt zijn, is de meest linkse kolom in het schema. Onze atomen hebben een kern van protonen en neutronen, die op hun beurt van up- en down-quarks gemaakt zijn. Om die kern heen vliegen elektronen. Neutrino’s, in de derde rij in het groen, zijn hele kleine, bijna massaloze deeltjes die nodig zijn voor de energiebalans. De tweede en derde kolom zijn andere families van materie, die qua eigenschappen erg op de onze lijken. Ze komen minder voor, en hebben vaak een korte levensduur. In de rechterkolom staan nog vier deeltjes om het verhaal compleet te maken: de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de vier fundamentele krachten. Afbeelding: © Fermilab

We hebben het dus over een zwaar maar hypothetisch deeltje dat zich niet makkelijk laat detecteren – anders was het allang ergens opgedoken. Bovendien hebben we geen idee hoe zwaar het precies is. Het is daarom een flinke gok om ernaar te zoeken. “We hebben een model,” aldus Hulsbergen, “en dat model bevat een deeltje dat een verklaring zou kunnen zijn voor donkere materie. We weten niet of dat model klopt – maar met de LHC kunnen we het wel testen.” Als het deeltje inderdaad voorkomt in de hoogenergetische botsingsbrij van de LHC, zal het in het algemeen zonder veel moeite door de detectoren naar buiten vliegen – ongezien. Dat betekent niet dat het onopgemerkt blijft: “als er zo’n deeltje gevormd wordt, mis je energie bij een botsing. Dat is een relatief makkelijke ‘handtekening’ van zo’n deeltje, die dus ook makkelijk te zien zou moeten zijn. Bijvoorbeeld bij ATLAS en CMS.”

Maar Wouter Hulsbergen heeft besloten om zijn pijlen op een ander deel van het supersymmetrische model te richten. “Waar ik specifiek naar op zoek ga zijn zware, lang levende deeltjes. Met lang levend bedoel ik dat ze niet ongehinderd de detector uitvliegen, en ook niet dat ze zo snel na de botsing vervallen dat je het verschil met de echte botsing niet ziet. Deze deeltjes zitten daar net tussenin.” De truc zit hem in het verval van die deeltjes. Hoewel je het exotische supersymmetrische deeltje zelf niet kunt detecteren, kan je wel zien dat er kort na de botsing tussen twee protonen een stukje verderop een zwaar deeltje is vervallen. Door uit te rekenen welke deeltjes er uit dat verval komen, met welke snelheid en welke richting, kan je terugrekenen om meer over het illustere deeltje waar ze uit komen te weten te komen.

Hoewel we steeds meer weten over de plaatsen in ons heelal waar zich donkere materie bevindt, weten we nog niet waar die materie uit bestaat. Het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP) is een van de belangrijkste kandidaten.

Als dit soort botsingen (die overigens altijd plaatsvinden, maar vaak door al begrepen processen veroorzaakt worden) gevonden wordt, zullen zware supersymmetrische partnerdeeltjes hun geheimen prijs moeten geven. Als we eenmaal weten hoe de grote broertjes en zusjes van het LSP eruit zien is het een stuk eenvoudiger om iets over dit lichtste supersymmetrische deeltje te zeggen. Dan kunnen we ook gaan uitrekenen of deze goed verstopte deeltjes inderdaad de donkere materie in ons heelal kunnen zijn.

Speld in een hooiberg

De botsingen in de LHC zijn begonnen. De energie van de botsende deeltjes zal de komende maanden worden opgevoerd, totdat de halve capaciteit van de versneller is bereikt. Nu al is de botsingsenergie in de LHC hoger dan waar dan ook ter wereld. Hoe hoger die energie wordt, hoe groter de kans op het detecteren van bijzondere deeltjes zoals de zware, onstabiele deeltjes uit het supersymmetrische deel van het Standaardmodel. Maar de botsingen waarin die deeltjes gevormd worden zijn waarschijnlijk heel zeldzaam, dus hoe ontdek je ze tussen de miljoenen ‘saaie’ botsingen waartussen ze zich verbergen?

Per seconde gebeuren er in een LHC-experiment zoals LHCb veertig miljoen botsingen. De meeste van die botsingen zijn weinig spectaculair en goed begrepen. Omdat de hoeveelheid informatie die binnenkomt in de experimenten veel te groot is om handmatig door te spitten, moet een computer zo goed mogelijk de saaie botsingen herkennen en verwerpen. Dat gebeurt door de energie te meten van de deeltjes die bij een botsing vrijkomen. Als die energie precies even groot is als die van twee botsende protonen, weten we dat er waarschijnlijk niets raars gebeurd is. Die botsingen kunnen dus in het algemeen weggegooid worden.

Bij een ‘verplaatste’ botsing (displaced vertex in het Engels) komt er bij een botsing tussen twee deeltjes een kortlevend nieuw deeltje vrij. De oorspronkelijke botsing vindt in dit plaatje op de turquoise stip plaats. Het nieuwe deeltje vliegt een korte afstand ongezien door, waarna het op de rode stip in nieuwe deeltjes uit elkaar spat.

Door terug te rekenen waar die nieuwe deeltjes (die wel gedetecteerd worden) vandaan komen, wordt het tweede kruispunt gevonden: de rode stip. De energie van de botsingsproducten en de lengte die het deeltje aflegde tussen de twee stippen in geeft veel informatie over het deeltje dat daartussen heel even heeft bestaan. Zoals je een rekensom met een onbekende factor kunt oplossen, kan je zo ook een nieuw elementair deeltje ontdekken.

Lees de rest op Kennislink.