Higgs-sporen zoeken in een lawine van deeltjes
De zoektocht naar het Higgsdeeltje is in volle gang. Op basis van de theorie van het Standaardmodel zijn wetenschappers overtuigd van het bestaan van dit deeltje, dat zij echter nog niet experimenteel konden aantonen. Alle ogen zijn gericht op 2007, als op CERN ATLAS in gebruik genomen wordt. Met deze detector, waar ook NIKHEF een aantal onderdelen van bouwt, moeten wetenschappers het ontbrekende Higgsdeeltje vinden tussen miljoenen meetresultaten. Hoe bepalen wetenschappers welke data relevant zijn en welke data zij weg kunnen gooien? Frank Linde, hoogleraar hoge-energiefysica aan de Universiteit van Amsterdam, en Stan Bentvelsen, senior onderzoeker in dienst van FOM, vertellen wat er allemaal bij zo'n groot internationaal project komt kijken.
'In de theorie van het Standaardmodel mist een deeltje, het Higgsdeeltje, dat verklaren kan hoe massa in het model opgenomen wordt. Het Higgsdeeltje zelf is nog niet experimenteel waargenomen. Indirecte metingen hebben wel uitgewezen welke massa het deeltje ongeveer hebben moet', vertelt Linde. Om het Higgsdeeltje te maken laten wetenschappers protonen -door Linde vanwege hun relatieve grootte ook wel jampotjes genoemd - met hoge snelheid op elkaar botsen in de Large Hadron Collider (LHC) op CERN. Bij zo'n botsing ontstaan in een paar nanoseconden zeer veel verschillende deeltjes met verschillende energieën. Het grootste deel van deze deeltjes is rotzooi, dat zijn weg vervolgt in een richting bijna parallel aan de bundellijn. De detectoren, die in een straal om de bundellijn geplaatst zijn, meten deze troep dus niet. Het Higgsdeeltje zal, als het bij zo'n botsing ontstaat, ook weer snel vervallen. Dat kan via verschillende reactiepaden, ook wel kanalen genoemd. Volgens welk van de kanalen het verval plaatsvindt, hangt af van de massa van het Higgsdeeltje. Onderzoekers moeten methodes bedenken om al deze reactieproducten te detecteren en te analyseren.
Veertig miljoen
'ATLAS bestaat uit ongeveer 150 miljoen kleine detectorelementen die tezamen onder andere elektronen en muonen detecteren. Zo'n veertig miljoen keer per seconde botsen de LHC protonbundels op elkaar en moeten de detectorelementen klaar staan om eventuele signalen te kunnen registreren. Dit levert veel te veel informatie om allemaal op te slaan. In drie stappen beslist de software welke signalen van botsingen tussen protonen interessant zijn. Rotzooi gooien we direct weg. Uiteindelijk houden we zo elke seconde slechts honderd van de veertig miljoen botsingen tussen protonen over, die interessant zijn vanwege de energie en impuls, of omdat het muonen betreft. Bij elke stap zijn de eisen strenger en hebben we meer tijd om te beslissen of we de meetgegevens wel of niet bewaren', legt Bentvelsen uit. 'Onze kennis en ervaring én de resultaten van simulaties zijn belangrijk bij het stellen van de eisen.' Na deze eerste drie selectiestappen blijft er nog steeds ongelooflijk veel data over (ongeveer honderd MB per seconde), waar alle interessante fysica nog in verstopt zit.
'Van het Higgsdeeltje is alles bekend behalve de massa. Uit simulaties weten we hoe groot de kans is dat een Higgsdeeltje met een bepaalde massa volgens een bepaald kanaal uiteenvalt', zegt Linde. 'Omdat we de exacte massa niet kennen, moeten we zorgen dat we op één of andere manier alle deeltjes die kunnen ontstaan, ook meten.' Een voorbeeld: bij een bepaalde massa kan het Higgsdeeltje uiteenvallen in twee zogenaamde Z-deeltjes. Elk Z-deeltje kan weer uiteenvallen in twee elektronen of twee muonen. Er is dus 25 procent kans op vier elektronen of vier muonen en vijftig procent kans op twee elektronen en twee muonen. 'Als je ervoor kiest alleen muonen te detecteren, dan moet je veel langer wachten op het gewenste resultaat dan wanneer je beide type deeltjes detecteert. Daarnaast is volgens de theorie de kans op lichte Higgsdeeltjes groter dan op zware Higgsdeeltjes, maar lichte deeltjes zijn juist wel weer lastiger aan te tonen', schetst Bentvelsen de uitdagingen die zij in hun onderzoek tegenkomen. Zo leiden verscheidene experimentele wegen naar het Higgsdeeltje, en wetenschappers moeten al die wegen in de gaten houden. 'Als je weet hoe groot de kans is dat een bepaald proces plaatsvindt èn je kunt de data analyseren, dan wil je uiteindelijk natuurlijk alles van het deeltje weten.'
Reconstructie
Nadat de onderzoekers met behulp van de software uit de signalen de baan van de deeltjes gereconstrueerd hebben, willen zij het grotere verband tussen de resultaten zien. Hier komen verschillende statistische methodes om de hoek kijken. Uit het verhaal blijkt dat computercapaciteit een belangrijke rol speelt. De enorme hoeveelheid gegevens die een meting oplevert, het analyseren van de baan van een deeltje en vervolgens het vergelijken van de beweging van de deeltjes vraagt veel computercapaciteit. Alleen al voor de simulatie van een enkele interactie tussen twee protonen heeft de computer al enkele tientallen minuten nodig. De ontwikkeling van het datagrid maakt het voor deelnemende instellingen zoals CERN en NIKHEF mogelijk computercapaciteit over de gehele wereld te gebruiken voor de jacht op het Higgsdeeltje. Deze ontwikkeling is van groot belang voor de onderzoekers.
'Het door en door kennen van de detector is zeer belangrijk, met name daarom is het ook cruciaal om bij de bouw van de detector betrokken te zijn. Om de resultaten te kunnen analyseren, moet je precies weten of en welke interacties er tussen deeltjes en de detector plaatsvinden. Verder heb je te maken met de balans tussen wat de detector aankan en het opnemen van zoveel mogelijk data. De huidige generatie detectoren is zeer goed', aldus Linde en Bentvelsen. In de groep van Linde werken nu tien stafleden plus een aantal promovendi aan de bouw van ATLAS en het ontwikkelen van de analysemethodes. Daarnaast nemen drie stafleden deel aan een vergelijkbaar experiment bij het Fermilab in Chicago, waarbij protonen met een lagere energie botsen. 'Tegen 2007, als ATLAS operationeel is, komen zij terug naar Europa en zullen we met zo'n vijftien stafleden zijn', aldus een enthousiaste Linde.
Er zijn ook al wetenschappers op NIKHEF bezig met het ontwikkelen van software die de resultaten grafisch in beeld kan brengen. Zo werkt de Franse postdoc Daniel Pomarède aan een analyseprogramma: 'Aan de hand van de gedetecteerde signalen reconstrueert het programma de baan die een deeltje doorlopen heeft. Vervolgens kun je ook analyseren welk type deeltje ontstaan is. Onderdelen van ATLAS die hier gemaakt zijn en al klaar zijn, worden op CERN getest. De resultaten gebruik ik om de software te testen.'
Verwachtingen
'De verwachtingen ten aanzien van ATLAS zijn hoog gespannen', aldus Bentvelsen. 'De theorie vereist het bestaan van het Higgsdeeltje. Als we dit experimenteel aantonen, dan is de theorie compleet. Maar het kan ook gebeuren dat we het niet aan kunnen tonen. We moeten openstaan voor het onverwachte. De vraag is dan wel wat de natuur bedacht heeft, want er blijft dan een 'missing link' in het Standaardmodel.' Intussen lopen wetenschappers wel alvast vooruit op de ontdekking van het Higgsdeeltje. 'De volgende stap is dat we alles van het Higgsdeeltje weten willen. In de LHC ontstaat veel troep bij de botsingen. Botsingen tussen elektronen en zijn antideeltjes, positronen, veroorzaken veel minder rotzooi. Maar om dan een Higgsdeeltje te laten ontstaan moet je de elektronen en positronen extra versnellen. In de hoge-energiefysica denkt men al over het bouwen van een nieuwe grote lineaire elektron-positron botsingmachine.