Genève: CERN NNV Excursie 2014: CERN, Genève Pagina 1. De fontein van Geneve

Genève: CERN 2014

De fontein van Geneve

Oude bellenvaten: (links) BEBC (Big European Bubble Chamber), (rechtsachter) Gargamelle (mrt. 2005)

NNV Excursie 2014: CERN, Genève

Pagina 1

Inhoudsopgave pagina

(voorlopig) programma

3

informatie excursie onderdelen

4

jeugdherberg

5

plattegrond oude stadsdeel

6

mee te nemen

6

reisregels

7

CERN

8

Interessante links Plattegronden Genève

13

Cultureel

15

Kathedraal St. Pierre

16

Bijlagen:

NTvN Fysica, juni 2013

F. Linde, S. Bentvelsen (2013), ‘Op weg naar de ontdekking van de higgs’, NTvN E. Koffeman, L. de Nooij (2013), ‘LHC detectoren’, NTvN A. Streefland (2013), ‘Tussen bellen en vonken’, NTvN


Pagina 2

(voorlopig) Programma woensdag --------……. vertrek, eigen lunchpakket, onderweg wordt gepauzeerd bij enkele wegrestaurants 21.00 aankomst jeugdherberg Genève 23.00 nachtrust donderdag --------07.15 ontbijt 08.15 verzamelen bij de bus, voor de jeugdherberg 08.25 vertrek naar CERN 08.50 Arrival at Prevessin (Michael will wait at the gate) 09.00-10.10 874-1-011 CCC, Control Center CERN, Introduction Gerjan Bobbink 10.15-11.40 Visit CCC and Compass (rotating parallel visits) Compass guides Erwin Bielert / Lau Gatignon, CCC Guide Ron Suykerbuyk 11.55-12.40 Lunch Restaurant 2, (building 504) 12.45-13.40 Visit computer centre: Maarten Litmaath, Jan van Eldik, Jerome Belleman 13.50-15.00 SM18: Gerard Willering, Stefanie Langeslag, Mike Struik, Michael Jonker 15.30-17.30 CMS, organizer Jeroen Hegeman 17.30 terug naar Jeugdherberg 18.30 wandeling langs het meer naar het oude stadscentrum 19.00 diner oude centrum Genève, restaurant Flore: Rue de la Fontaine 9 23.30 nachtrust vrijdag ------07.15 ontbijt, uitchecken jeugdherberg (inleveren beddengoed + pasje) 08.15 verzamelen bij de bus, voor de jeugdherberg, inpakken bagage 08.25 vertrek naar CERN 09.00-12.00 Vive rotating groups and visits of ‐ Cryolab (Johan Bremer tbc) ‐ PS/Linac/Leir (mj/gb tbd) ‐ CLIC (TBD) ‐ Vacuum Coating lab (Wil Vollenberg) ‐ Electronic detector development Erik Heijne (tbc) 12.00.13h15 Lunch Restaurant 1 13.45-14.45 3162-1-K01 (Atlas) Conclusions & Cern spin-off, Michael Jonker 15.00 met openbaar vervoer (gratis met pas van jeugdherberg) naar de stad, vrij 19.00 diner jeugdherberg 20.00 terugreis naar Nederland zaterdag ------….. aankomst N.B.: gebouw 6/2-004 betekent gebouw 6, 2e verdieping, lokaal 004. NNV Excursie 2014: CERN, Genève

Pagina 3

Informatie excursie onderdelen: -----------SM18: De SM18 hal dankt zijn naam aan het feit dat het de surface (S) hal is voor de "machine" (M), dwz de versnellers, recht boven sector nummer 1-8 van de LHC. In deze hal is een grote opstelling waar supergeleidende LHC magneten kunnen worden gekoeld met vloeibare helium en vervolgens getest met stroom. ATLAS: ATLAS is de grootste van de LHC experimenten. ATLAS heeft als doel nieuwe, nog niet eerder waargenomen deeltjes te ontdekken die onstaan bij de botsing van protonen in the LHC. De ATLAS detector is even groot als een gebouw van vijf verdiepingen en kan de positie van deeltjes bepalen met een precisie van 0,01 millimeter. PS complex: Het PS complex is het hart van CERN: daar waar het versnellen van de protonen begint voordat ze naar de LHC worden gestuurd. Hier is ook het CTF3 experiment dat nieuwe technologien test om met toekomstige versnellers nog hogere energieen te kunnen bereiken. Tevens is hier ook het coating laboratorium, waar men extreem dunne laagjes materiaal op een opervlakte kan aanbrengen voor hoogtechnologische toepassingen zoals vacuum pompen. Cryogenic Laboratory: In het cryogene laboratorium wordt onderzoek gedaan op temperaturen rond de 4 K (vloeibaar helium). Vaak betreft dit technologische hoogstandjes zoals supergeleiding, maar ook detectoren en sensoren die veel gevoeliger zijn op deze lage temperaturen. Computer Center: Het computer centrum is het hart van de data analyse. Hier staan ontelbare computers die de gigabits per seconde aan informatie uit de LHC experimenten verwerken. Het computer centrum zorgt er tevens voor dat al die informatie toegankelijk is (en blijft) voor de duizenden natuurkundigen wereldwijd die aan de experimenten werken.


Pagina 4

Jeugdherberg Rue Rothschild 30, 1202 Genève Tel. +41 (0)22 732 62 60 www.yh-geneva.ch (met een virtuele rondleiding) http://map.search.ch/geneve/rue-rothschild-28 locatie jeugdherberg (pijl), met een pinautomaat

om de hoek.


Pagina 5

Oude stadscentrum (gemarkeerd restaurant Le Flore: Rue de la Fontaine 9)

Mee te nemen       

geldig paspoort of identiteitskaart + kopie voor de reisleiding zakgeld ter waarde van minstens € 45,- voor eten (het ontbijt en laatste diner voor vertrek in de jeugdherberg zijn bij de prijs inbegrepen) eventuele middeltjes tegen reisziekte lunchpakket voor de eerste dag handdoeken, toiletartikelen, kleding e.d. geen beddengoed spellen voor in de bus, pen, papier


Pagina 6

Reisregels De NNV organiseert jaarlijks studiereizen speciaal voor VWO-6 leerlingen. Deze reizen leveren een grote bijdrage aan het wetenschapsbeeld van alle deelnemers. Het succes van de excursies wordt vooral bepaald door de houding van de leerlingen. Besef dat je deelneemt aan een studiereis. Reizen in een groep vraagt van iedereen een andere instelling dan wanneer je alleen reist of als je als jongeren samen op vakantie gaat. Met zijn allen kunnen we er op die manier een mooie reis van maken. We verwachten dan ook dat je je houdt aan de reisregels die voor deze reis zijn opgesteld. Het niet houden aan de reisregels kan er toe leiden dat je op eigen kosten naar huis gestuurd wordt. Algemeen  Zorg ervoor dat je steeds op tijd bent! Laat anderen niet op jou wachten.  Ga nooit ergens alleen naar toe of zonder toestemming van de leiding.  Als je medicijnen gebruikt of een bijzonder dieet hebt, zorg er dan voor dat dit bij de leiding bekend is.  Verniel en / of vervuil geen spullen van iemand anders. Jij wordt hiervoor aansprakelijk gesteld.  Het is verboden om alcohol, drugs of wapens in je bezit te hebben.  Ga verstandig om met alcohol, zorg dat je fit bent (en blijft): geen alcohol in de bus en de jeugdherberg !  Zorg er voor dat je voldoende nachtrust krijgt, zodat je de volgende dag fit bent bij de lezingen en rondleidingen.  Last but not least…. volg instructies van de reisleiding op. Bus      

Hou je aan de regels die de buschauffeur geeft. Je mag niet aan deuren of noodluiken van de bus komen. Loop tijdens de busreis niet meer dan nodig is (b.v. naar het toilet), vanwege veiligheid moeten chauffeurs eisen dat iedereen zit. In de bus wordt niet gerookt en geen alcohol gedronken. Je zorgt ervoor dat de bus schoon blijft. Gooi je afval in een vuilniszakje. Zorg ervoor dat je de handbagage in de bus hebt.

Jeugdherberg  Hou je aan de regels van de jeugdherberg.  Hou rekening met andere gasten in de jeugdherberg.  Maak geen lawaai op de gangen.  Je mag niet zonder toestemming de jeugdherberg verlaten.  Laat geen waardevolle spullen achter op je kamer. (Gebruik de kluisjes)  Zorg ervoor dat je de kamer netjes achterlaat.  Op de kamers wordt niet gerookt.


Pagina 7

Cern: Interessante links: 99,9999% zeker van bestaan Higgs-deeltje: http://nos.nl/op3/artikel/391232-cern-999999zeker-van-bestaan-higgsdeeltje.html

Machten van tien, maar dan anders en sneller: http://www.onemorelevel.com/game/scale_of_the_universe_2012

Minisymposium KNAW: het Higgsdeeltje http://www.wetenschap24.nl/videos/knaw-minisymposium-higgsdeeltje-/robbert-dijkgraaf.html

http://www.wetenschap24.nl/videos/knaw-minisymposiumhiggsdeeltje-/stan-bentvelsen.html http://www.wetenschap24.nl/videos/knaw-minisymposiumhiggsdeeltje-/eric-laenen.html http://www.wetenschap24.nl/videos/knaw-minisymposium-higgsdeeltje-/ivo-van-vulpen.html

Brian Cox on CERN's supercollider

http://www.ted.com/talks/brian_cox_on_cern_s_supercollider.html CERN in 3 minutes http://cdsweb.cern.ch/search?ln=en&cc=Videos&sc=1&p=cern+in+3+minutes&f=&action_search=Se arch&rm=wrd werking LHC http://www.youtube.com/watch?v=_T745HXduHY werking ATLAS detector http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-1 http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-2

The Large Hadron Collider in 10' (with english subtitles)

http://cdsweb.cern.ch/record/1186009 New results from OPERA on neutrino properties

http://cdsweb.cern.ch/record/1384486 Update on the search for the Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments at CERN

http://cdsweb.cern.ch/record/1406786 Webcast service. Als er belangrijk nieuws is, wordt het live uitgezonden via: http://webcast.web.cern.ch/webcast/

zelf events van atlas detector analyseren http://atlas-minerva.web.cern.ch/atlas-minerva/ of http://hypatia.phys.uoa.gr/

LHC homepage http://lhc.web.cern.ch/lhc/ NNV Excursie 2014: CERN, Genève

Pagina 8

High School Teachers 2010 programma. Hier zijn ppt en pdf van lectures te downloaden http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=96344 control panels and webcams http://meltronx.com/ uitleg control panels, LHC en detectoren http://www.lhcportal.com/ uitleg bubble chambers pictures http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2005/bubble_chambers/BCwebsite/index.htm

CERN Rap: http://www.youtube.com/watch?v=8wwozHsmVQI.

Documentaire over de zoektocht naar het Higgs-deeltje: 48 jaar geleden door natuurkundige Peter Higgs voorspeld maar nog niet waargenomen elementair deeltje. Stan Bentvelsen, programmaleider van de Nederlandse onderzoeksgroep bij CERN, wordt gevolgd bij voorbereidingen van een onderzoek waarmee ze mogelijk het Higgs-deeltje kunnen vinden. http://player.omroep.nl/?aflID=10606917

Het World Wide Web (WWW) ontstond bij CERN als een uitvinding van de computer-technici Tim Berners-Lee en Robert Cailliau. Het loont dan ook zeker de moeite op de prachtige site van de plek waar het allemaal begon, uitgebreid te bekijken! http://www.cern.ch http://public.web.cern.ch/Public/Welcome.html Kijk bijvoorbeeld bij “Education” en dan bij: movies, animations, videoclips, photos and posters.

CERN was oorspronkelijk een afkorting voor Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europese Raad voor Kernonderzoek). Op 29 september 1954 werd de akte getekend die de raad ophief en verving door l'Organisation européenne pour la Recherche nucléaire (De Europese organisatie voor kernonderzoek). Niet veel later bleek dat ook deze naam de lading niet echt dekt (hoewel deze tot nog toe wel behouden is gebleven) en tegenwoordig wordt aan het CERN gerefereerd met: Laboratoire européen pour la physique des particules (Europees laboratorium voor deeltjesfysica). De naam CERN is al die jaren behouden gebleven als eigennaam voor het instituut en betekent tegenwoordig dus eigenlijk niets meer. Ongeveer 10.000 medewerkers (van 500 universiteiten uit 80 landen) werken aan experimenten die bij CERN worden uitgevoerd. De experimenten worden uitgevoerd in een van de 6 deeltjesversnellers. Het doel van die experimenten is inzicht te krijgen in hoe de NNV Excursie 2014: CERN, Genève

Pagina 9

materie is opgebouwd: uit welke deeltjes bestaat de materie en wat zijn de krachten die de deeltjes bij elkaar houden.

Boven: schematische weergave van locatie LHC met detectoren. Beneden: Ligging CERN bij Geneve.


Pagina 10


Pagina 11

Receptie CERN met daarachter de tentoonstelling “Microcosm”. Aan de overkant v.d. straat: “Globe”

Plattegrond voor het restaurant, gebouw 504.


Pagina 12

Luchtfoto van CERN bij Genève; de installaties zijn in tunnels onder de grond aangebracht.

Genève:

http://www.geneve-tourisme.ch/

Wereldstad Genève, op de grens van Zwitserland (rode stip onderstaand plaatje). Een gedeelte van CERN ligt zelfs in Frankrijk. De stad ontstond als nederzetting van het Keltische volk de Allobrogi. Na verovering door de Romeinen maakte het deel uit van de Provinci Romana (Gallia Narbonensis). Nabij Genève hield Julius Caesar de naar het westen oprukkende Helvetiërs tegen. In de 9e eeuw werd het de hoofdstad van Bourgondië. In de 16e eeuw was Genève voor de protestanten, als wat tot heden ten dage Rome voor de katholieken, het middelpunt van het calvinisme. Genève sloot zich in 1815 als kanton bij Zwitserland aan. Keizerin Elisabeth werd aan het meer vermoord.


Pagina 13

In 1906 en 1925 vonden in Genève Universele Esperantocongressen plaats. De stad Genève huisvest zeer veel belangrijke internationale organisaties, waaronder enige onderdelen van:  de Verenigde Naties  het Rode Kruis  de Wereldgezondheidsorganisatie  UNAIDS, een organisatie van de VN om aids te bestrijden. Daarnaast huisvest het ook een aantal belangrijke onderwijs- en onderzoeksinstellingen, zoals:  het onderzoeksinstituut CERN  de Université de Genève  het Institut Universitaire de Hautes Études Internationales  de École de traduction et d’interprétation Genève is een stad vol luxe. Het heeft een grote aantrekkingskracht op diplomaten en er zijn veel internationale organisaties gevestigd, zoals de Europese zetel van de Verenigde Naties en het Rode Kruis. Het wordt ook wel de "Hoofdstad van de Vrede" genoemd. Genève heeft prachtige kades, promenades langs het meer, parken, drukke steegjes in de binnenstad en elegante winkels in het centrum. De stad ligt aan de westpunt van het Meer van Genève en wordt doorsneden door de rivier de Rhône, die uit het meer stroomt, en de Arve. Genève is een echte wereldstad, te midden van ongerepte natuur en tussen de Jura en de Alpen en is na Zürich de grootste stad van Zwitserland. Het behoort tot het Franstalige gedeelte en het is tevens de naam van het omliggende kanton. Genève is ontstaan als nederzetting van de Kelten en werd later veroverd door de Romeinen, waardoor het deel uitmaakte van de Provinci Romana (Gallia Narbonensis). In de 9e eeuw werd het hoofdstad van Bourgondië. In de 16e eeuw vormde Genève als het Rome van de protestanten het middelpunt van het Calvinisme. De oude kathedraal ("cathédrale Saint-Pierre") was Calvijns eigen kerk. Genève sloot zich in 1815 als kanton bij Zwitserland aan. Taal: Duits, Frans, Italiaans en Rheto-Romaans. Inwoners: Genève heeft ruim 176.000 inwoners. Hiervan is bijna de helft, zo'n 44% afkomstig uit het buitenland. Valuta: Zwitserse frank (CHF), waarbij CHF 1 gelijk staat aan ongeveer € 0,62 (of omgekeerd € 1 is ongeveer CHF 1,61). Creditcards (American Express, Diners Club, Euro/Mastercard, Visa) en bankpasjes zijn algemeen geaccepteerd. Geldautomaten zijn in de meeste plaatsen aanwezig. Prijsniveau: Zwitserland is iets duurder dan Nederland, vooral in de toeristische trekpleisters zullen de prijzen duurder zijn. NNV Excursie 2014: CERN, Genève

Pagina 14

Cultureel: Zwitserland heeft een zeer groot aantal musea. Houders van de Schweizer Museumspass hebben gratis toegang tot 330 Zwitserse musea. En bij de Plus-Pass voor volwassenen is de toegang voor de kinderen inbegrepen. Het museum voor natuurlijke historie in Genève, met 3500 zoogdieren, behoort tot de modernste musea van Europa. De waterfontein in het Meer van Genève, de "Jet d’Eau" is een 140 meter hoog watermonument en werkt van maart tot midden oktober. In 1955 is het bloemenhorloge gemaakt in het uiteinde van de Engelse tuin. Samen met "Jet d'Eau is dit een van de toeristische trekpleisters. Het bloemenhorloge staat voor de geboorte van het, inmiddels wereldberoemde, Zwitsers horloge in Genève. Bewonderaars van Japanse, Duitse, Engelse, Italiaanse of Zwitserse postzegels kunnen hun hart ophalen in het Cabinet des Estampes. Er zijn meer dan 300.000 stuks, van welke sommige uniek, en beslaan een periode van meer dan 500 jaar. Je krijgt hier een goede indruk van de ontwikkeling van de technieken. Eén van de 20 leukste plekjes van Geneva is het Place du Bourg du Four in het hart van het oude centrum. Met de 18e eeuwse fontein in het midden is het een ontmoetingsplek voor de inwoners. Rondom dit plein zijn gezellige terrasjes en eettentjes. De bibliotheek Bodmeriana is opgericht door Martin Bodmer, een literatuurfreak. Na een studie in Zürich en daarna in Heidelberg begon hij een collectie boeken en documenten op te bouwen. De bibliotheek staat inmiddels in de top tien van `s werelds meest belangrijke privé-bibliotheken. De Calvin kapel is gebouwd in de 15e eeuw, op andere religieuze overblijfselen. De kapel is sober en in gothische stijl opgetrokken. Er worden nog steeds diensten gehouden en men ontvangt er regelmatig bezoek van de kerken van Schotland, Nederland en Italië. Het is een belangrijke plek in de geschiedenis van Genève. In het hoogste gedeelte van het oude centrum staan vijf kanonnen opgesteld. Het zijn prachtige historische stukken artillerie en een deel hiervan is lang geleden door Napoleon in beslag genomen. De overgebleven kanonnen zijn meegenomen door de Oostenrijkers toen zij Zwitserland kwamen bevrijden in 1813. In 1923 kregen deze vijf kanonnen een vaste plaats in het 17e eeuwse gebouw, Old Arsenal. Het gebouw, in eerste instantie bedoeld als voedselopslag, werd later gebruikt als artillerie-opslag en bleef dit tot 1877. Dit gebouw heeft prachtige mozaïek fresco's van Alexandre Cingria uit 1949. Deze fresco's representeren belangrijke gebeurtenissen in de historie van Genève, waaronder de aankomst van Julius Caesar in het jaar 58 voor Christus, de beurzen in de Middeleeuwen en het verwelkomen van de Hugenoten. Onder de dakrand zijn eveneens prachtige fresco's geschilderd door Gustave de Beaumont in de periode van 1891 tot 1893, die een opsomming zijn van de gebeurtenissen in de stad totdat de grondwet werd bekrachtigd in 1848. Tegenwoordig doet het gebouw dienst als hoofdkwartier van de Zwitserse staatsarchieven. In dit archief zijn ook 14e eeuwse perkamenten te vinden en diverse documenten, door Calvijn zelf geschreven. NNV Excursie 2014: CERN, Genève

Pagina 15

Kathedraal Saint-Pierre: De kerk van de stad én eyecatcher van het historische centrum (dat op een heuvel ligt). Gelegen aan het Cour de Saint-Pierre. Gebouwd tussen 1150 en 1230. Vanaf 1536 speelde de Saint-Pierre een belangrijke rol in de reformatie. Dit gebeurde onder leiding van predikant Johannes Calvijn. Zo liet Calvijn de prachtig versierde kerk helemaal strippen. Zo werden de mooiste fresco’s van de muren en het dak van de kathedraal geboend. Op die manier moest het een sobere, protestantse kerk worden. Tegenwoordig is een klein deel van de kerk in de oude glorie hersteld. Zo kun je goed zien hoe mooi de kerk ooit was. Ook de moeite: de torens van de kerk. Er is een noordtoren en een zuidtoren, die je voor een paar Zwitserse Franken mag beklimmen. Bovenin de torens heb je een prachtig uitzicht over de stad, het meer en de bergen. En heb je nog meer tijd over? Bezoek dan de archeologische opgravingen onder de SaintPierre. Daar zie je overblijfselen van kerken die vroeger op dezelfde plek stonden. “Vallen en opstaan” lijkt de lijfspreuk van deze kathedraal; in de loop van de jaren is hij verschillende keren verwoest door storm of brand en vervolgens weer opgebouwd. Hierdoor zijn diverse bouwstijlen te zien en dat is ook wat dit bouwwerk zo bijzonder maakt. In de middeleeuwen hadden de Romaanse kerken dikke muren en kleine raampjes. Later veranderde dit bij de gotische bouwstijl. Een gotische kerk heeft als basis, als plattegrond, het kruis van Jezus. De hoofdingang (de ‘onderkant’ van het kruis) is altijd naar het westen gericht, zodat als men gaat bidden, je naar het oosten bent gericht: naar Jeruzalem. Het lange deel heet het schip, het korte deel heet het dwarsschip, de ronding aan de oostkant heet het koor, daarin staat het altaar. In de kerk staan overal dikke zuilen om de hele kerk te dragen. Ook typisch gotisch zijn de parabolische bogen. Deze zie je terug in de vorm van ramen en openingen in muren. Hiervoor, bij Romaanse kerken, waren de bogen rond, met als gevolg dat ze snel instortten omdat het niet stevig genoeg was. Daarom konden er ook geen openingen boven de poorten gemaakt worden. Door de parabolische bouw wordt de kracht van de muren beter verdeeld. Hierdoor kunnen sinds die tijd ook hogere kerken worden gebouwd. Een ander typisch gotisch kenmerk zijn de luchtbogen; omdat de wanden dun zijn moet de kracht van het zware dak naar een dikkere muur worden geleid. Deze dikkere muur staat buiten naast de dunne muur. Hiervoor dienen de luchtbogen. Eerst wordt een houten mal geplaatst in de vorm van de luchtboog. Hierover, of eigenlijk hieromheen, worden de stenen gemetseld. Een laatste typisch gotisch kenmerk zijn de kruisgewelven. Ze lopen kruislings van zuil naar zuil. Ook hiervoor werd eerst een houten mal neergelegd, waar overheen de bakstenen werden geplaatst. NNV Excursie 2014: CERN, Genève

Pagina 16

FYSICA 2013

Op weg naar de ontdekking van de higgs Frank Linde en Stan Bentvelsen hebben samen de Physicaprijs 2013 gewonnen. Bij de prijs hoort een rede die zij uitspraken tijdens FYSICA 2013. Hier een geschreven weergave waarin zij vertellen over hun werk als fysici in de wondere wereld van de deeltjesfysica.

Frank Linde

208

Higgs, zo’n vijftig jaar lang het ontbrekende puzzelstukje in het Standaardmodel deeltjesfamilieportret en we hebben hem nu ontdekt! De eerste keer dat ik nadacht over de higgs was rond 1990 toen ik als jonge postdoc de nauwkeurige normalisatiemeting (‘luminositeit’) deed voor het L3-experiment bij CERN’s vorige grote deeltjesversneller (LEP). Dit was een elektron-positronbotsingsmachine in dezelfde tunnel met een omtrek van 27 km waar tegenwoordig de Large Hadron Collider (LHC) in gehuisvest is. Die meting maakte gebruik van de theoretisch goed te berekenen e+e- → e+e- elastische verstrooiingsreactie. Voor kleine verstrooiingshoeken domineert het zogenaamde t-kanaal (figuur 1a). Als perfectionist wilde ik destijds wel eens weten wat de bijdrage was van

Frank Linde studeerde in Utrecht en is in 1988 in Leiden gepromoveerd op onderzoek bij de PEP-elektronpositronbotsings machine van SLAC (Stanford, USA). Sinds 1993 is hij professor aan de Universiteit van Amsterdam. Tot 2005 heeft hij in verschillende functies (staffysicus CERN, leider Nederlands ATLAS-programma) gewerkt aan het ATLAS-experiment bij CERN’s Large Hadron Collider. Sinds 2005 is hij directeur van Nikhef. [email protected]

Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

de higgs aan dit proces (onder andere figuur 1b). Ik vroeg mijn theoretisch best getrainde promovendus dit uit te rekenen en het antwoord was echt helemaal niets. Een zorg minder. Mijn volgende higgservaring was leuker. Voor mijn eigen promotieonderzoek misbruikte ik een elektronpositronbotsingsmachine door het zogenaamde twee-fotonproces te bestuderen (figuur 1c). Zowel het elektron als het positron straalt een foton af en die fotonen creëren een nieuwe toestand. Voor mijn promotieonderzoek: charmonium (gebonden toestanden van een charm- en een anticharm-quark; ik vond er vier in vier jaar tijd…). In mijn opinie nu niet de meest spannende fysica, maar het gebeurde wel bij SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) in Californië en daar wonen en werken was een hele ervaring. Via datzelfde twee-fotonproces kun je in principe ook een higgs produceren bij LEP (figuur 1c)! Ik realiseerde mij dit midden in een nacht. Opgewonden sprong ik direct uit bed en in mijn auto en reed naar CERN, schreef een stukje analysesoftware om met behulp van de onder kleine hoeken verstrooide en een in ‘mijn’ luminositeitsmonitor simultaan gedetecteerd elektron en positron via de zogenaamde ontbrekende-massatechniek [1] te kijken of ik hiermee de higgs kon ontdekken. Dat wil zeggen een piek vinden in het ontbrekende massaspectrum. En jawel hoor, rond een uur of zeven had

juni 2013

Frank Linde en Stan Bentvelsen

ik door een heleboel data geploegd en een prachtige maar erg (te) brede piek gevonden rond de 50 GeV/c2! Helaas veel te breed voor de higgs. Wat was dit dan wel? Uiteindelijk bleken het random coïncidenties te zijn van op het resterende bundelgas verstrooide elektronen en positronen, die voor energieën van rond de 20 - 30 GeV door de sterk focusserende quadrupoolmagneten rond het experiment precies in de luminositeitsmonitor afgebogen werden! Kortom, dit had weinig te doen met fysica, maar alles met achtergrond. Helaas geen ontdekking, maar de CERN-versnellerexperts vonden het wel leuk. Beginnend in 1991 raakte ik meer en meer betrokken bij het LHC-project op CERN en in het bijzonder bij het ontwerp en realisatie van de enorme muonspectrometer van het ATLASexperiment. Werkelijk een megaproject: in totaal zo’n tienduizend vier-

Stan Bentvelsen studeerde theoretische natuurkunde aan de UvA en deed promotieonderzoek aan het ZEUS-experiment over de interne structuur van het proton (1994). De volgende zes jaar was hij betrokken bij LEP-experimenten op CERN als fellow en stafmedewerker. Nu is hij hoogleraar experimentele hoge-energiefysica aan de UvA. Vanaf 2005 (tot 2013) is hij programmaleider van het FOM ATLAS-programma. [email protected]

a) e-

b)

c)

e

-

e

-

e-

e+ e

e

e+

e-

H

γ

+

d) -

e

+

t

Z

H

e-

e+ e

+

Z

H

e

+

Figuur 1 Diagrammen voor de volgende processen: a) elastische e+e - → e+e - verstrooiing (fotonuitwisseling in het t-kanaal) en b) een higgsbijdrage hieraan. c) Twee-fotonproductie e+e - → e+e -X met uitgelicht het proces voor higgsproductie via een virtuele t-quarklus. d) Het dominante proces voor higgsproductie e+e - → ZH bij een toekomstige elektron-positron lineaire botsingsmachine.

kante meter detectoren bestaande uit zo’n 400,000 driftpijpen (TL-buizen volgens de toenmalige Nikhefdirecteur Ger van Middelkoop) met een totale lengte van 1200 kilometer. Iedere driftpijp bestaat uit een dunwandige aluminium pijp met een diameter van 3 cm, met daarin centraal een dunne wolfraamdraad met een diameter van 50 micron. Aan ieder uiteinde wordt dit draadje gefixeerd en strak gespannen in een zogenaamde eindplug die tevens de gas-, hoogspannings- en signaalconnecties mogelijk maakt. Een cruciaal onderdeel van iedere eindplug is de zogenaamde wokkel, een uiterst nauwkeurig hol spiraaltje waarmee de draad tot op beter dan 10 micron in de aluminium pijp gecentreerd wordt (figuur 2). Als een muon door een driftpijp vliegt dan ioniseert hij het gas. De lading drift in het sterke elektrische veld (3080 V spanningsverschil tussen draad en pijp) in een goed te bepalen tijdsduur naar de draad en genereert daar een elektrische puls. Omdat precies bekend is wanneer de protonen botsen in de LHC, kan uit het tijdstip waarop de puls arriveert op de draad bepaald worden tot op welke afstand van de draad het muon passeerde. Door dit vaak te doen kan het muonspoor gereconstrueerd worden. Zo’n 10% van de 400.000 driftpijpen zijn op het Nikhef door een fantastische bedradingsrobot met een snelheid van zo’n 2 - 3 minuten per stuk gemaakt! De wokkel was essentieel voor de robotisering. En toen ik in de zomer van 2010 shifts liep voor ATLAS en zag dat het allemaal excellent werkte (99,9% van de 40.000 op het Nikhef geproduceerde driftpijpen doen het nog steeds prima), glom ik van trots. Een fantastisch resultaat waar ik samen met veel Nikhefcollegae met ontzet-

Figuur 2 De ATLAS-wokkel (links) en de Smith-wokkel (rechts).

209

Figuur 3 Frank Linde. Foto: NTvN - Martin van Lokven.

juni 2013


tend veel plezier lang aan heb mogen werken. En mede dankzij de ATLASmuonspectrometer hebben we nu de higgs ontdekt. Voor de toekomst kijk ik uit naar de volgende elektron-positron lineaire botsingsmachine om de higgs echt minutieus te bestuderen via het e+e- → ZH proces (figuur 1d). Hetzelfde proces dat rond het sluiten van LEP in 2000 voor veel opwinding zorgde omdat sommige fysici, waaronder ikzelf, meenden dat we hints van een 115 GeV/c2 higgs begonnen te zien. We weten nu zeker dat die opwinding onterecht was… Wat we nu ook weten is dat we LEP toch echt hadden moeten ontwerpen zoals Tini Veltman lang geleden al voor ogen had: tot 300 GeV. Dan hadden we de higgs ruim tien jaar eerder ontdekt…

Stan Bentvelsen

210

De colleges van Martin Veltman over het Standaardmodel waren fantastisch. “Ik hoop dat ik het nog mag beleven – de ontdekking van dat higgsdeeltje”, zei hij. Het was begin jaren negentig en er werd al over de LHC gesproken. Tegelijkertijd was Veltman sceptisch en rekende voor dat het universum door de energiedichtheid van het higgsveld “zo groot wordt als een voetbal”. Na mijn promotieonderzoek (dat niets met higgs te maken had, maar alles met de inwendige structuur van

het proton), raakte ik betrokken bij de LEP-versneller op CERN en onderzocht quantumcorrecties in de botsingen tussen elektronen. In de LEP2-periode (1995-2000), waarbij de botsingsenergie in stappen werd verhoogd, bepaalden we de sterke koppelingsconstante door metingen aan jets en karakteristieke eigenschappen van botsingen waarbij quarks werden geproduceerd. We lieten zien dat de koppeling kleiner wordt naarmate de energie van de botsing toeneemt, precies zoals voorspeld. De LEP-resultaten over het elektrozwakke deel van het Standaardmodel waren indrukwekkend nauwkeurig. Bij het verhogen van de botsingsenergie bepaalden we de werkzame doorsnede met twee W-bosonen in de eindtoestand: e+e- -> WW. Die meting laat zien dat de werkzame doorsnede bij hoge energie gedempt wordt, door verschillende coherente bijdragen aan dit proces. Ook hier voldeden de metingen perfect aan de voorspellingen van het Standaardmodel. Ondertussen werd er druk gezocht naar het higgsdeeltje. Dat het nog niet was gevonden was jammer, maar je kon altijd een iets grotere massa van het higgsdeeltje voorspellen, zodanig dat het net buiten het bereik van de versneller lag. De LHC-versneller zou met deze redenering korte metten maken. Het no lose-theorema vertelde dat de LHC

ofwel het higgsdeeltje zou vinden, of nieuwe fenomenen zou observeren in de verstrooiing van W-deeltjes bij hoge energie. Zonder bijdrage van de higgs wordt de WW-verstrooiing bij hoge energie niet voldoende gedempt en schenden de botsingskansen unitariteit. Geen uitweg meer voor het higgsdeeltje. De bedrijvigheid op Nikhef was enorm toen ik in 2004 het programmaleiderschap van ATLAS van Frank overnam. Er werd toen onder een fantastisch team van fysici en instrumentmakers onder andere gewerkt aan de zogenoemde endcap van de halfgeleidertracker, die met hoge plaatsresolutie geladen deeltjes kan detecteren. De installatie van deze endcap was een echte tour de force en zo moesten bijvoorbeeld Nikheffysici en technici een aantal keren inspringen om problemen met de koeling van het systeem, een verantwoordelijkheid van anderen, op te lossen. Het is geweldig te zien dat ‘onze’ endcap tot de dag van vandaag uitstekend functioneert, net even beter nog dan de andere uit Liverpool! De bouw van de 96 muonkamers was zo goed als klaar maar ze moesten allemaal worden geïnstalleerd en getest met kosmische straling. De data-acquisitie en on-linetriggerelektronica werd ontworpen en geïnstalleerd. Dit was Nikhef op zijn best. Er werd ook een Tier-1-rekencentrum opgericht samen met SARA

Figuur 4 Frank Linde (links) en Stan Bentvelsen kregen de Physicaprijs tijdens FYSICA 2013. Foto: NTvN - Martin van Lokven.


juni 2013

om de grote aantallen terabytes aan meetgegevens te kunnen verwerken. Met jaarlijkse workshops, wekelijkse bijeenkomsten en veel werkoverleg richtte de groep fysici, postdocs en promovendi uit Nijmegen, CERN en Amsterdam zich op de analyse van de eerste data. Met de groep besloten we ons te concentreren op de zoektocht naar het higgsdeeltje, op het zoeken naar tekenen van supersymmetrie en op het bestuderen van top-quarks. Ondertussen nam de spanning voor de eerste botsingen toe en de dag voordat de eerste protonen rondgingen bij de LHC werd in Genève een end of world-party georganiseerd. De verwachtingen van nieuwe botsingen waren onbegrensd; de aarde zou vergaan omdat mini zwarte gaten ons zouden opslokken. En als dat niet gebeurde zou de LHC extreem exotische materie vinden. Hierdoor werd in de media de speurtocht naar higgs zelfs ondergesneeuwd, en NRC schreef in een interview over mij: “Als dan ‘alleen maar’ die higgs opduikt, wordt dat misschien niet alleen schouderophalend begroet, vreest hij. ‘Straks is het – onterecht, maar toch – zelfs een teleurstelling. En kijk, daar heb ik nou slapeloze nachten van.’” Hannie van den Bergh en Jan van den Berg van theater AdHoc begonnen rond 2007 met filmen op CERN voor de documentaire Higgs, into the heart of imagination. Tijdens vele achtervolgin-

gen en interviews werd er een mooi tijdsbeeld neergezet, met bijvoorbeeld een prachtig beeld van het transport van de endcap-toroïde; grotendeels door Nederlandse industrie gemaakt. Maar het ongeluk met de LHC in 2009, waardoor de eerste botsingen werden vertraagd met een jaar, was vooral voor een aantal promovendi een enorme domper. Bovendien werd hierdoor de eerste versie van de documentaire gemonteerd zonder enige ontdekking. Vanaf de eerste botsingen in 2011 ging alles eigenlijk heel snel. We hadden ons voorbereid op de analyse van twee van de drie ‘ontdekkingskanalen’, waarbij de higgs uiteenvalt in paren van W-bosonen en paren van Z-bosonen. Deze analyses werden inhoudelijk gedragen door promovendi en postdocs die de grote hoeveelheid data manipuleerden en vergeleken met achtergrondbotsingen zonder higgssignaal. Eind 2012 was er een piek, maar dat kon ook nog toeval zijn! Met meer data groeide het signaal tot boven de 5σ-limiet en bij de statistische combinaties van alle meetgegevens speelden we een cruciale rol. Tegelijkertijd werd er druk gezocht naar supersymmetrie of andere exotische materie en werden eigenschappen van top-quarks bepaald. Een paar dagen voor de publieke bekendmaking van de higgsontdekking, op 4 juli 2012, werden nieuwe opnamen voor de documentaire gemaakt.

We vlogen naar CERN en daarna naar Sicilië om Peter Higgs te ontmoeten in Erice. Bij de scène waarop Peter en ik op een bankje zitten voor een schitterend uitzicht over de vallei liet ik hem wat oude resultaten zien, waarbij ik steeds noemde dat het om oude, publiek toegankelijke resultaten ging. Maar Peter had geen idee hoe hij de histogrammen moest interpreteren en keek verwonderd, verbaasd en blij. Jan en Hannie hebben bij de eindmontage mijn verwijzingen naar de oude resultaten er uit geknipt. Filmisch fantastisch voor de documentaire. De ontroering van Peter Higgs op de dag van 4 juli op CERN, bij de officiële bekendmaking, zoals ook in de eindversie van de documentaire is terechtgekomen, is echt. Op de ontdekking van het higgsdeeltje kan het geweldige team wetenschappers, instrumentmakers, technici en engineers van Nikhef net zo trots zijn als ik.

Noot

1 In de reactie e+e - → e+e -X, kan bij gegeven bundelenergie (E) de massa van de toestand X (MX) berekend worden uit de gemeten energieën van het verstrooide elektron (E-) en positron (E+): MX ≈ 2√(E - E-)×(E - E+). Hierbij is aangenomen dat de verstrooiingshoeken van het elektron en positron klein (minder dan 4o) zijn. Op deze manier kan in een groot massagebied gespeurd worden naar nieuwe toestanden zonder dat ook maar iets van deze toestand direct waargenomen wordt! Vandaar de naam: ontbrekende-massatechniek.

Figuur 5 Peter Higgs (links) samen met Stan Bentvelsen. Foto: Nikhef - Kees Huyser.

juni 2013


211

ATLAS

LHC-detectoren Als de LHC-versneller eenmaal goed op gang is, zullen er iedere seconde veertig miljoen pakketjes protonen elkaar kruisen in het hart van ieder van de vier experimenten. Per experiment kan de bundel scherp of juist iets minder scherp gefocust worden waardoor het aantal daadwerkelijke proton-protonbotsingen kan variëren maar het tempo waarmee de pakketjes voorbij suizen blijft 40 MHz en dat dan ‘24/7’. In de praktijk komt dit uit op een gemiddelde van twintig uur per dag omdat de bundels na verloop van tijd opnieuw geïnjecteerd worden.

D 212

e combinatie van energie en intensiteit legt de randvoorwaarden voor het detectorontwerp in grote lijnen vast. Het uitgangsprincipe is het voornemen om ieder stabiel deeltje dat bij de botsing geproduceerd wordt te detecteren. Met detecteren bedoelen we het vaststellen van de baan en de energie. De impuls van het deeltje wordt dan berekend uit de baan in het aanwezige magneetveld. Als deze parameters bekend zijn kan de massa worden bepaald en daarmee meestal ook het type deeltje. Deze stabiele deeltjes zijn bijvoorbeeld protonen, elektronen maar ook fotonen. Van instabiele deeltjes die dicht bij het interactiepunt uit elkaar vallen worden de eigenschappen pas bepaald door de reconstructie van de hele botsing en het toepassen van energieen impulsbehoud. Een belangrijk voorbeeld van een instabiel

Els Koffeman is bijzonder hoogleraar instrumentatie in de deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Zij is tevens werkzaam bij het Nikhef en werkt daar aan het ATLAS-experiment. Naast de deeltjesfysica is ze ook nauw betrokken bij het toepassen van detectietechnieken uit haar vakgebied voor medische toepassingen. [email protected]


deeltje is een B-meson, het bevat tenminste een b-quark en dat zorgt voor een korte levensduur. Een B-meson legt typisch een afstand af van 0,1 tot 1 mm. Het punt waarop een deeltje vervalt wordt vertex genoemd. Als de vervalproducten gemeten zijn, kan de vertex gereconstrueerd worden en uit meerdere metingen kan dan de levensduur van het moederdeeltje worden berekend. Ook het higgsdeeltje is instabiel en op een vergelijkbare manier gemeten. In het geval van het higgsdeeltje spreken we alleen niet van een levensduur maar van een resonantie: het deeltje vervalt op de plek waar het ontstaan is. Het duidelijkste verval is dat naar twee Z-bosonen (zelf ook weer resonanties) die beide vervallen in twee muonen. De eindtoestand bestaat dus uit vier stabiele muonen (ze vervallen uiteindelijk wel maar gemiddeld pas ver buiten het experiment) waarvan de baan in de detector wordt gemeten. Tot slot worden er in sommige botsingen neutrino’s geproduceerd die niet worden gedetecteerd in het experiment. In veel gevallen kan de impuls bepaald worden uit de reconstructie van de hele botsing. In deze botsingen spreekt men dan van ‘missende energie’. Wanneer er een botsing plaatsvindt tussen twee protonen met een energie van 7 TeV is er

juni 2013

Els Koffeman en Lucie de Nooij

maximaal 14 TeV aan energie beschikbaar om nieuwe deeltjes te maken. Even een gedachtenexperimentje: stel dat er bij een botsing alleen stilstaande protonen worden gemaakt... dan zijn dat er ongeveer 14.000 stuks! In de praktijk kan dit niet en worden de meeste deeltjes met een bepaalde energie weggeslingerd, maar het is zeker gebruikelijk dat er in een botsing honderden deeltjes te meten zijn. Het probleem begint nu dus duidelijk te worden: iedere 25 ns een honderdtal deeltjes meten. In werkelijkheid is het nog complexer omdat zich soms meerdere botsingen voordoen terwijl de bundels elkaar kruisen.

ATLAS en CMS Bij de LHC-versneller zijn vier verschillende experimenten gebouwd. De twee grootste zijn ATLAS en CMS en deze zijn ontworpen om open te

Lucie de Nooij (1984) studeerde natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam van 2003 tot 2008 en promoveert sinds 2009 in de hogeenergiefysica bij het Nikhef in Amsterdam. In het kader van deze promotie werkte Lucie anderhalf jaar op CERN aan de ATLAS-detector. In die tijd werden de eerste botsingen gemeten.

staan voor alle soorten nieuwe fysica. In dit geval is het belangrijk dat er geen enkel deeltje ontsnapt en deze beide experimenten beslaan dan ook de hele (4p) ruimtehoek. Nederland is betrokken bij het ATLAS-experiment. Heel globaal zou je kunnen zeggen dat er voor de twee grote detectoronderdelen waaraan op het Nikhef is gewerkt ongeveer vijf jaar R&D is gedaan en aansluitend vijf jaar constructie, installatie en calibratie. In 2008 was het hele ATLAS-experiment klaar om te starten (na enkele weken deed zich echter een groot incident voor in de versneller waardoor de versneller ruim een jaar lang niet werkte). Inmiddels staan vrijwel alle detectoren dus ook al vijf jaar onafgebroken te meten. Uiteraard is de R&D doorgegaan en zijn er op dit moment vergevorderde ideeën om de experimenten uit te breiden en te verbeteren. In het ATLAS-experiment zal al in 2013 een dunne laag aan de binnenkant van de detector worden toegevoegd. Tien jaar geleden was de technologie die de intensiteit zo dicht bij de bundel kon weerstaan nog niet betrouwbaar genoeg maar inmiddels zijn hier oplossingen voor gevonden. Met name de ontwikkeling van stralingsharde micro-elektronica is hiervoor heel belangrijk.

Figuur 1 Door de LHC-bundels te focusseren, kunnen er meerdere botsingen voorkomen bij elke kruising van de bundels in ATLAS.

213

Alice en LHCb Alice en LHCb zijn twee experimenten die op een ander manier zijn opgebouwd. Bij Alice komt dat doordat er vooral naar speciale botsingen tussen protonen en zware ionen wordt gekeken. Ongeveer een maand per jaar wordt dit type botsingen door de LHC-versneller gegenereerd. Hierbij is het aantal deeltjes per botsing weliswaar nog hoger, maar het aantal botsingen ligt significant lager. Doordat de uitleestijd wat groter is heeft Alice gebruik kunnen maken van een gasgevulde sporendetector die bijzonder nauwkeurig de baan van geladen deeltjes kan volgen. Bij LHCb wordt specifiek gekeken naar botsingen waarbij een b-quark is gevormd. De kans op dit soort botsingen is hoog voor heel kleine verstrooiingshoeken en LHCb beslaat dan ook maar een kleine ruimtehoek in de voorwaartse richting. De intensiteit is bij de lage verstrooiingshoeken geenszins laag en LHCb is dan ook gespecialiseerd in snelle dataverwerking en selectie

Figuur 2 De silicium stripdetector in de maak in een van de schone ruimtes op het Nikhef in Amsterdam.

van interessante botsingen. De dataverwerking en opslag vormen samen een essentieel onderdeel van alle vier de experimenten, van het ontwerp tot en met de uiteindelijke data-analyse maar zal in dit artikel niet worden behandeld.

Detectoronderdelen van ATLAS Er zijn dus grote verschillen tussen de vier experimenten maar een deel van de detectietechnieken is wel vergelijkbaar. Omdat wij beiden aan het ATLAS-experiment zijn verbonden, zullen we aan de hand van het ATLASexperiment nu een aantal detectoronderdelen bespreken. Rondom het punt waar twee protonen op elkaar botsen (primaire vertex) worden cilindervormige detectoren gebouwd. De eerste lagen proberen de

deeltjes zo weinig mogelijk te verstoren om zo de baan te kunnen meten. De baan van de geladen deeltjes wordt vastgelegd door een sporendetector (heel dunne halfgeleidersiliciumlagen en een klein gedeelte met gasgevulde buisjes). Het meetprincipe berust op ionisatie van atomen in de sensor. De vrijgemaakte elektronen bewegen onder invloed van een elektrisch veld naar kleine elektrodes. De sporendetector die bestaat uit zeven lagen wordt omvat door een solenoïde, waardoor de geladen deeltjes worden afgebogen. In figuur 1 zie je alle sporen die gemeten zijn bij één bundelpassage. Dicht bij de primaire vertex zijn de cellen maar een fractie van een vierkante millimeter groot. Deze ‘pixels’ zijn allemaal voorzien van een eigen

juni 2013


Figuur 3 Een schematisch voorbeeld van de banen die de verschillende deeltjes achterlaten in ATLAS. Bijvoorbeeld het muon, het enige deeltje dat langs de calorimeters komt en zichtbaar is in het muonsysteem, of het neutrino dat stiekem wegglipt. Het neutron, dat geen spoor achterlaat in de binnenste detectoren, laat wel een signaal in de calorimeters achter.

uptime (%)

214

hebben. In figuur 3 is duidelijk te zien hoe de verschillende soorten deeltjes worden gedetecteerd. Speciaal voor de muonen wordt bij het ATLAS-experiment een toroïdaal magneetveld aangelegd dat zijn weerga niet kent. De enorme spoelen die dit veld genereren bepalen het aanzicht van het ATLAS-experiment en zijn ook bepalend voor de enorme afmetingen. In het veld worden de muonen in drie stations gedetecteerd. Een station bestaat uit laagjes buizen van aluminium met gas en een centrale draad onder hoogspanning. Als een muon het gas in het buisje ioniseert zal er een lawine van elektronen ontstaan die uiteindelijk een signaal op de draad genereert (het signaal wordt in feite gevormd door de wegtrekkende ionenwolk). Van 2009 tot en met 2012 heeft het ATLAS-experiment vrijwel continu data verzameld. Met behulp van bekende processen kan haast iedere detectorcel voortdurend bewaakt worden: tot nu toe functioneert het ATLAS-experiment met een ongekende betrouwbaarheid. In tabel 1 zie je hoe alle onderdelen de afgelopen jaren hebben gefunctioneerd.

ATLAS-experiment in zijn geheel

99,8

Pixeldetector

99,9

Stripdetector

99,4

Gasgevulde buisjes

99,8

Toekomst

Calorimeters

99,1

Muondetectoren

99,6

De versneller zal waarschijnlijk in 2015 de maximale energie bereiken en dan weer een aantal jaar in continu bedrijf zijn. De verwachting is dat er rond 2018 weer een kans is om nieuwe componenten te installeren. We verwachten dat dit schema zich nog een keer zal herhalen met een stop in 2022. Voor de experimenten moet er dan op grote schaal worden herbouwd: de meeste onderdelen zijn dan, na vijftien jaar trouwe dienst aan het einde van hun verwachte levensduur en ook niet berekend op verdubbeling van de bundelintensiteit.

Tabel 1

In het jaar 2012 was de ATLAS-detector 99,8% van de tijd dat de LHC stabiele botsingen leverde beschikbaar om die op te nemen. Van die ATLAS-tijd, waren bijvoorbeeld de stripdetectoren 99,4% beschikbaar.

versterker, teller en een geheugen. Deze uitlezing wordt gerealiseerd op speciale CMOS-chips. Per chip kunnen 256 x 256 pixels worden gebruikt. Pas op het moment dat een botsing geselecteerd is, worden de signalen uitgelezen en bewaard. Verder naar buiten, waar de deeltjesdichtheid wat afneemt, worden geen pixels maar strips gebruikt. Van deze silicium stripdetector is een groot gedeelte op het Nikhef in Amsterdam gebouwd. In figuur 2 is een foto van deze detector te zien. De energie wordt vervolgens gemeten in zogenaamde calorimeters: opgebouwd uit materiaal met een hoog atoomgetal om de deeltjes af te remmen en te stoppen. Er vormt zich een lawine van secundaire deeltjes maar uiteindelijk blijven alleen nog laag energetische elektronen en fotonen


over: deze worden geregistreerd met fotobuizen en speciaal ontworpen chips. Na deze detectorlagen zijn de meeste deeltjes geregistreerd. Er zijn nog een paar notoire probleemgevallen: de muonen en de neutrino’s. Voor de neutrino’s zit er niets anders op dan per botsing impuls en energiebehoud toe te passen, maar voor de muonen wordt nog even flink uitgepakt. De reden dat een muon ongehinderd de zware calorimeters kan passeren is dat het maar een klein licht deeltje is (10% van de protonmassa) en bovendien ongevoelig voor de sterke wisselwerking. Elektronen worden wel in de calorimeters geabsorbeerd omdat het elektron nog veel lichter is dan het muon en dus anders wordt beïnvloed door botsingen met atomaire elektronen, die immers gelijke massa

juni 2013

Tussen bellen en vonken Detectoren in de deeltjesfysica in de afgelopen eeuw Deeltjesdetectoren hebben een bijzondere functie binnen de natuurkunde. In zekere zin zijn ze de bemiddelaars tussen de microwereld en onze kennis over die wereld. Ze zijn de voelsprieten van de experimentele fysica en maken het onzichtbare zichtbaar. Ze laten ons nieuwe deeltjes vinden en symmetrieën breken. In de loop van de twintigste eeuw hebben verschillende detectortechnieken een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Pasten detectoren voor de Tweede Wereldoorlog qua afmetingen meestal nog op een tafelblad, in de tweede helft van de twintigste eeuw groeiden de apparaten tot ongekende grootte. Gigantische projecten als de Tevatron bij het Fermilab en de Large Hadron Collider in Genève maken gebruik van huizenhoge detectoren, volgepompt met elektronica, magneten en supergeleiders. Hoe hebben detectoren zich in de twintigste eeuw

190

ontwikkeld en waar lag de oorsprong van de naoorlogse verschuiving? Abel Streefland

Nevelkamers We schrijven 27 augustus 1883, de dag waarop een van de zwaarste explosies uit de geschiedenis plaatsvond. Even na 10 uur ’s ochtends barstte de Indonesische vulkaan de Krakatau uit. De knal was te horen tot in Australië. De enorme hoeveelheid vulkanisch materiaal dat de lucht in werd geblazen, leidde wereldwijd tot vreemde effec-

Abel Streefland studeerde natuurkunde en geschiedenis van de natuurkunde aan de Universiteit Utrecht. Op dit moment is hij, verbonden aan de Sterrewacht van de Universiteit Leiden, bezig met een promotieonderzoek naar uraniumverrijking in Nederland na de Tweede Wereldoorlog. [email protected]


ten van het weer. Deze gebeurtenis versterkte de fascinatie voor atmosferische verschijnselen in het Victoriaanse Engeland. Het was een reden voor de jonge wetenschapper Charles Wilson om hoog in de Schotse bergen onderzoek te gaan doen naar wolken en mist. Rond 1900 begon Wilson in het Cavendish-laboratorium in Cambridge te experimenteren met nevels in een afgesloten ruimte. Met zijn nevelkamers onderzocht hij condensatieverschijnselen op zoek naar het ontstaan van wolken. Om het moment van condensatie vast te leggen, ontwikkelde hij een fotografische techniek met het doel momentopnamen te maken van zijn vaten – ook fotografie was in het laat-Victoriaanse Engeland buitengewoon populair. In 1911, nog steeds op zoek naar de meest elementaire vorm van condensatie, begon hij verschillende soorten straling los te laten op zijn nevel-

juni 2013

kamers. Het resultaat was meer dan verbluffend: in zijn nevelkamers kon hij de precieze banen van allerhande atomaire deeltjes zien. Vrijwel alle elementaire deeltjes die in de eerste helft van de twintigste eeuw zijn ontdekt, werden door middel van nevelkamers op de fotografische plaat vastgelegd. De massa’s en interacties van de verschillende deeltjes konden door analyse van de banen bepaald worden. Hiermee waren deze afbeeldingen directe representaties van de subatomaire wereld: je kon zien hoe individuele deeltjes zich gedroegen. Daarnaast waren de afbeeldingen een bijzonder soort bewijsmateriaal. Eén enkele afbeelding van een nieuw deeltje, een zogenaamd Golden Event, kon voldoende zijn om de hele gemeenschap van fysici in één klap te overtuigen van het bestaan van het deeltje. De techniek van Wilson werd daardoor binnen een paar jaar uitzonderlijk populair. Er werd zelfs een commerciële

versie van zijn nevelkamer op de markt gebracht. Voor slechts twintig pond kon elk huishouden een Cloud Expansion Apparatus aanschaffen. De Wilsonkamers kunnen worden gezien als het begin van de experimentele deeltjesfysica. Ontstaan uit twee typische fenomenen uit de late negentiende eeuw – experimenteel atmosferisch onderzoek en vroege fotografie – bleek deze techniek, ook al was die daar in eerste instantie helemaal niet voor bedoeld, een goudmijn voor onderzoek naar nieuwe deeltjes.

budgetten en veel medewerkers, de zogenaamde Big Science, veranderden het wetenschappelijke klimaat aanzienlijk. Ook de projecten van Powell vertoonden deze overgang. Er werden verregaande allianties met verschillende industriële bedrijven aangegaan om nieuwe emulsies te ontwikkelen. Zo fabriceerde fotografiefabrikant Kodak speciaal voor dit onderzoek een nieuwe serie gevoelige platen. Desondanks bleef deze techniek relatief kleinschalig in vergelijking met de gigantische projecten die in Eerste waarneming van een positron door Carl Anderson in 1932. de Verenigde Staten van Nucleaire emulsies zorgden voor een gecontroleerde aan- de grond kwamen. Powells emulsies In de jaren twintig begon de uit We- voer van deeltjes die hij dicht bij de boden een kleinschalige en goedkope nen afkomstige Marietta Blau met emulsie op andere deeltjes liet botsen. manier om in het door de oorlog geeen nieuwe fotografische techniek De resten van de botsing kwamen in teisterde Europa toch op het scherp onderzoek te doen naar elementaire de emulsie terecht. De analyses van van de snede fysica te bedrijven. In deeltjes. In plaats van foto’s te maken de foto’s die Powell hiermee maakte 1946 wist Powell met deze techniek van deeltjes die via condensatie een – en dat waren er al snel tienduizen- het pion te vinden en in 1950 kreeg hij spoor achterlieten in een nevel, fo- den – werden verricht door een schare daarvoor de Nobelprijs. custe zij zich op de afbeelding die de vrouwen die als ‘scanners’ werden in- De emulsietechniek van Powell werd deeltjes direct op de fotografische plaat gezet (gekscherend werden ze Cecil’s in de jaren vijftig overschaduwd door achterlieten. Dit principe vormde het Beauty Chorus genoemd). Hun taak een nieuwe ontwikkeling op het deuitgangspunt van haar experimenten was om, zonder dat ze precies wis- tectorvlak. Met het bellenvat, een conmet dikke fotografische platen: zo- ten waar ze naar zochten, de deeltjes tainer gevuld met een vloeistof dicht genaamde nucleaire emulsies. Haar op de foto’s te analyseren en juist die tegen het kookpunt, konden veel werk is grotendeels in de vergetelheid foto’s uit te zoeken die iets vreemds complexere bewegingen van elemengeraakt, maar het vormde de basis van vertoonden. taire deeltjes worden waargenomen het onderzoek van de Britse fysicus Na de Tweede Wereldoorlog groeiden dan met het nevelvat. Met het grote Cecil Powell. Kort voor het uitbreken wetenschappelijke projecten zowel bellenvat op CERN, de zogenaamde van de Tweede Wereldoorlog begon in aantal als in omvang. Grootscha- Gargamelle, werden bijvoorbeeld duihij de ideeën van Blau verder uit te lige samenwerkingsverbanden tussen zenden neutrino’s geanalyseerd om werken. Een nucleaire emulsie kon universiteit en industrie, met grote zo de neutrale-stroomwisselwerking als een soort miniatuurnevelkamer worden opgevat. Door de laag emulsie dik genoeg te maken bleek het mogelijk een driedimensionale afbeelding van het door een deeltje achtergelaten spoor te krijgen. De kwaliteit van deze reproducties lag stukken hoger dan de afbeeldingen die met de nevelkamers te verkrijgen waren. Powell nam zijn emulsies mee naar de hoge toppen van de Alpen om zo kosmische straling te bestuderen. Tijdens de oorlog breidde Powell zijn onderzoek in Engeland drastisch uit. Hoewel hij niet direct betrokken was bij het Britse atoombomproject Tube Alloys deed hij wel op grote schaal onderzoek naar snelle en langzame neutronen. De gloednieuwe cyclotrons Marietta Blau. Cecil Powell.

juni 2013


191

192

Gargamelle, het grote bellenvat op CERN tijdens de installatie in 1970. Foto: CERN.

van de zwakke kernkracht (ook wel zwakke neutrale stroom) aan te tonen.

Statistische metingen Lijnrecht tegenover deze op afbeeldingen gebaseerde traditie stond een tweede, op statistiek gebaseerde tak van de experimentele deeltjesfysica. De oorsprong hiervan bevindt zich in de beroemde geiger-müllertellers uit het einde van de jaren twintig. In de beginjaren van deze tellers, die net als de nevelkamers al snel ongekend populair werden, was het voornaamste probleem dat er nooit met zekerheid vastgesteld kon worden of er nu een kosmisch deeltje was waargenomen of slechts een spontane ontlading. Dit probleem werd ondervangen door meerdere buizen elektrisch aan elkaar te koppelen. Alleen als er in de verschillende buizen op hetzelfde moment een deeltje werd waargenomen, gaf het elektronische systeem een treffer. En vanuit dit idee ontstonden na de Tweede Wereldoorlog verschillende onderzoeksgroepen die zich met vonkenkamers bezig hielden. De ongekende groei tijdens de oorlog van


onderzoek naar elektronica (onder andere voor radar en de verschillende atoombomprojecten) speelde een belangrijke rol in deze ontwikkeling. Aan het einde van de jaren vijftig werd in Japan een succesvolle ontladingskamer ontwikkeld waarin vrij precies de locaties van ontladingen konden worden vastgesteld. Deze techniek vormde een reële bedreiging voor de op afbeeldingen gebaseerde technieken. De elektronisch tellende machines produceerden bergen data ter staving van statistische argumenten voor het bestaan van bepaalde deeltjes of effecten. Zo is aan het einde van de jaren dertig het bestaan van het muon op statistische wijze vastgesteld. In de jaren vijftig en zestig zijn met behulp van vonkenkamers verschillende soorten neutrino’s gevonden. Twee losstaande tradities dus, de ene gebaseerd op het zichtbaar maken van een atomaire wereld, de ander op logische statistische argumenten. Het kwam vrijwel nooit voor dat een fysicus uit de ene traditie de overstap maakte naar de andere. Als je eenmaal met nevelkamers gewerkt

juni 2013

had, switchte je niet naar onderzoek met geigertellers. Het verschil tussen de twee manieren om experimentele deeltjesfysica te bedrijven zorgde voor een zekere wedijver tussen de twee tradities. Fysici op zoek naar een nieuw Golden Event hadden principiële bezwaren tegen uitgebreide statistische argumenten, terwijl fysici die met dradenkamers werkten in het visuele bewijsmateriaal slechts uitzonderingen zagen. Statistiek ging niet samen met enkelvoudige waarnemingen. Verenigd werden de tradities in eerste instantie niet, hoewel dat wel een droom was van de fysici die met bubbelkamers bezig waren. Hoe praktisch zou het immers zijn als een grote bubbelkamer vanzelf, elektronisch getriggerd, een afbeelding zou maken op het moment dat er een interessant deeltje de kamer binnenkwam.

Hybride technieken Pas in het midden van de jaren zeventig verenigden de twee tradities zich. Met gigantische hybride experimenten zoals de Mark I bij de lineaire versneller in Stanford en de ontwik-

193

Installatie van ’s werelds grootse siliciumdetector in de CMS-detector in 2007. Foto: CERN.

keling van de time projection chamber zoals PEP-4 lukte het om met behulp van moderne computers afbeeldingen te genereren met behulp van data uit grote dradenkamers. Er werd nog steeds gezocht naar visueel bewijsmateriaal voor het bestaan van deeltjes, maar de afbeeldingen werden opgebouwd uit elektronisch gegenereerde data. De ontdekkingen van de W- en Z-deeltjes in 1983 kunnen daarom worden gezien als een vroeg hoogtepunt van de samenwerking tussen de twee tradities. De gigantische moderne detectoren, zoals die van het ATLAS-experiment van de LHC bij CERN of de Super-Kamiokande-detector in Japan, vinden allemaal hun oorsprong in de vereniging van de twee verschillende tradities. Computers hebben de rol overgenomen van fotografische platen en scannende vrouwen. Aangezien niet elk laboratorium zich een grote detector kan veroorloven, is er in de laatste jaren toch een alternatieve beweging ontstaan. Siliciumdetectoren zijn sinds eind jaren tachtig met een opmars bezig. Al-

hoewel de techniek al meer dan vijftig jaar bestaat, met toepassingen vooral in de nucleaire fysica, heeft deze pas recentelijk de weg naar de deeltjesfysica gevonden. Op een dunne laag silicium (meestal ongeveer 100 micrometer dik) worden oneffenheden aangebracht (het zogenaamde doteren) zodat er in het kristalrooster van het silicium een overschot óf tekort aan elektronen ontstaat. Op deze manier gedraagt het silicium zich als halfgeleider en kan het kleine ionisatieverschijnselen – en dus losse deeltjes – waarnemen. Door veel van dit soort detectoren rond de plek van een botsing te plaatsen kunnen de banen van deze deeltjes bepaald worden. Een voordeel van deze techniek is dat ze een stuk gevoeliger is dan wolkenen dradenkamers. Ze is uitermate geschikt om kort bestaande deeltjes waar te nemen. Nadeel is echter dat de siliciumdetectoren vooralsnog relatief duur zijn en goed gekoeld moeten worden om ongewenste ruis tegen te gaan. Detectorfysica mag dan misschien onpersoonlijker, grootschaliger en

minder romantisch zijn dan honderd jaar geleden, zoals Nobelprijswinnaar en CERN-fysicus Carlo Rubbia in de jaren tachtig zei: “Detectors are really the way to express yourself. To say somehow what you have in your guts. In the case of painters, it’s painting. In the case of sculptors, it’s sculpture. In the case of experimental physics, it’s detectors. The detector is the image of the guy who designed it”. Detectoren bestaan niet zonder de geniale invallen van de natuurkundigen en technici erachter.

Meer lezen

1 Peter Galison, How experiments end, University of Chicago Press, 1987. 2 Peter Galison, Image and logic: A material culture of microphysics, University of Chicago Press, 1997.

juni 2013


Genève: CERN NNV Excursie 2014: CERN, Genève Pagina 1. De fontein van Geneve

Recommend Documents