Je leest:

In de ban van de Ring: De LHC

In de ban van de Ring: De LHC

Auteur: | 20 mei 2009

Dit najaar wordt de Large Hadron Collider, de grootste machine op aarde, eindelijk in gebruik genomen. Wat kunnen we verwachten?

Van quark tot kosmos

De toekomst van de elementaire-deeltjesfysica ligt in het verleden van ons heelal. Het standaardmodelmodel, om aan te geven dat men (nog) niet te maken heeft met een volwaardige theorie – zegt namelijk dat de hele materiële wereld bestaat uit een drietal families van elementaire deeltjes, iedere familie bestaande uit vier deeltjes: twee soorten quarks en twee soorten leptonen (elektron en neutrino) terwijl alle twaalf deeltjes verschillende massa’s hebben en ieder deeltje een anti-deeltje bezit.

Tevens werken er twee soorten krachten: de elektrozwakke kracht die wisselwerkt via fotonen en Z˚-, W+-, W--bosonen, en de sterke kracht die tussen de quarks werkt via de uitwisseling van gluonen. (De derde kracht, de zwaartekracht, is vanwege de relatief geringe massa van de deeltjes in het standaardmodel niet of nauwelijks betrokken). Naast de krachtvelden is er ook nog een constant veld, het Higgs-veld, en de wisselwerking van dat veld met de deeltjes via de higgsboson(en) verleent aan de deeltjes hun massa.

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, en 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.

De grondslag van het standaardmodel vindt men terug in de oerknal, de begintoestand van het heelal, die zo’n 13,7 miljard jaar geleden een aanvang nam. Daarbij bevonden de deeltjes zich in hun fundamentele elementaire toestand in een plasma met gigantisch grote dichtheden en met extreem hoge temperaturen en energieën. Door expansie van de ruimte ontstond afkoeling en onder invloed van de krachten samenklontering tot mesonen, baryonen, kernen, atomen, moleculen en al de verschillende vormen van materie en straling die we nu kennen. Om de deeltjes in hun geïsoleerde elementaire vorm te kunnen bestuderen heeft men versnellers ontwikkeld, waarmee de deeltjes met elkaar in botsing worden gebracht en waarmee men probeert de energieën van de oerknal zoveel mogelijk te benaderen. De grootste en krachtigste van die versnellers is de Large Hadron Collider (LHC) van het Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) te Genève. Het woord Large in de naam is eigenlijk een eufemisme: voor de beschrijving van LHC zijn bijna uitsluitend superlatieven van toepassing. De LHC is het grootste instrument dat ooit voor fysisch onderzoek is gebouwd.

Samen met het Tevatron van het Fermi Accelerator Laboratory te Batavia, Illinois, vormt het de enige versneller in de teraschaal (1 TeV = 1012 eV). Als zodanig kan het de processen waarnemen die zich op een onderlinge afstand van 10-18 m afspelen. De LHC wordt daarom ook wel de grootste en krachtigste microscoop genoemd. De samenhang tussen de kleinst- en grootstschalige verschijnselen ofwel tussen elementaire deeltjesfysica en kosmologie komt ook tot uiting in de opkomst van een nieuw onderzoeksgebied: de astrodeeltjesfysica.

De Large Hadron Collider

In de LHC worden twee tegengesteld gerichte pakketjes protonen versneld tot 7 GeV – ongeveer 7500 maal hun rustmassa van mp = 938,26 MeV – waarbij een snelheid wordt bereikt van 99,9999991 % van de lichtsnelheid c, dat wil zeggen slechts 2,7 m/s langzamer dan c = 299.792.458 m/s. De versnelling gebeurt in een bijna cirkelvormige tunnel met een diameter van 3,8 m en een omtrek van 26.659 m die gemiddeld 100 m (tussen 50 m en 175 m) onder de grond tussen Frankrijk en Zwitserland is uitgegraven – een tunnel die eerder voor de Large Electron-Positron (LEP) deeltjesverneller werd gebruikt. De tunnel bestaat uit acht identieke cirkelboogsegmenten, octanten genaamd, verbonden door rechte stukken. Om de protonenstraal van 7 TeV te buigen en rond te laten lopen worden 9593 supergeleidende magneten met een maximale sterkte van 8,3 tesla gebruikt: 1232 dipoolmagneten om de bundel om te buigen en 8361 multipolaire magneten om de bundel te corrigeren en te focusseren. De dipoolmagneten zijn in de octanten geplaatst, 154 per octant, die zorgen voor een verschuiving van 6 mm per meter baanlengte. Ze wegen elk 34 ton, zijn 15 m lang en werken in supergeleidende toestand met een nominale stroom van 11.850 ampères. De andere multipolaire magneten kunnen de protonenstraal focusseren tot een diameter van 16 micron (1 μm = 10-6 m) – dunner dan een menselijke haar. Om de magneten op een heliumtemperatuur van 4,2 K te brengen is 94 ton vloeibaar helium nodig. Door de druk van het helium te verlagen kan in een koeltijd van zes weken de temperatuur op 1,9 K worden gebracht.

Overzicht LHC-faciliteit. De protonen en loodionen worden in de lineaire versnellers (LINAC) gegenereerd. Via een cascadesysteem van steeds krachtigere synchrotrons worden de deeltjes tot hogere energieën versneld, alvorens ze in de LHC worden geïnjecteerd.
CERN

De versnelling van de protonen gebeurt in gedeelten (zie schema). In de lineaire versneller LINAC 2 worden protonen van 50 MeV gegenereerd die via de Proton Synchrotron Booster (PSB) op 1,4 GeV worden gebracht. Vervolgens worden ze in de ring van de Proton Synchrotron (PS) verder versneld tot 26 GeV. Daarna worden ze in de Super Proton Synchrotron (SPS) met een diameter van 2 km nog verder versneld tot 450 GeV voordat ze in de twee verschillende ringen van de LHC worden geïnjecteerd. Daar worden ze in 20 minuten in tegengestelde richtingen versneld tot 7 TeV – dat is 7500 maal hun rustenergie (en dus rustmassa). Op vier plaatsen in het traject zijn de detectoren geplaatst en daar worden de twee bundels gekruist en de protonen met een totale energie van 14 TeV met elkaar in botsing gebracht.

Om een periode in de tunnel te doorlopen heeft een proton minder dan 90 microseconden nodig, dat betekent ongeveer 11.000 perioden per seconde. De protonenstroom is echter niet continu maar wordt ‘samengedrukt’ tot 2808 ‘pakketjes’ (bunches) die elkaar met een onderlinge afstand van 7,5 m en een tussentijd van 25 ns (1 nanoseconde = 10-9 s) opvolgen. Ieder pakketje bevat ruim 1011 protonen, maar daarvan zullen slechts een miniem klein aantal met elkaar in botsing treden, naar verwachting ongeveer 20 protonenbotsingen tussen twee pakketjes, dat maakt 800 miljoen botsingen per seconde per detector.

Mede vanwege de botsingen neemt de energie en het aantal protonen in een pakketje af en de levensduur van zo’n protonenpakketje is beperkt. Eén- of tweemaal per etmaal wordt een nieuwe protonenstroom in de LHC geïnjecteerd. Protonen zijn echter composietdeeltjes, bestaande uit de elementaire deeltjes quarks en gluonen. Per botsing van twee elementaire deeltjes is gemiddeld slechts een zevende van de totale proton-protonbotsingsenergie beschikbaar – voor de LHC is dat dus 2 TeV. De totale werkzame doorsnede van een proton-protonbotsing bij 14 TeV is 100 millibarn (1 millibarn = 10-31 m2).

Ionenbotsingen

Naast de proton-protonbotsingen is de LHC ook geschikt gemaakt voor botsingen van zware lood-208 ionen met een totale botsingsenergie van 1148 TeV. Daarbij worden vanuit 500 kg uiterst zuiver Pb208 in een tweede lineaire versneller Linac3 loodatomen eerst gestript van 29 elektronen en daarna versneld tot een energie van 875 MeV, dat is 4,2 MeV per nucleon (het loodisotoop Pb208 (Plumbum) komt het meest (52,3 %) voor en heeft 208 nucleonen en 82 elektronen). Door de ionen op een koolstoflaagje te laten botsen worden ze van nog eens 25 elektronen ontdaan. In de LEIR (Low Energy Ion Ring) krijgen ze een energie van 72 MeV per nucleon waarna ze rechtstreeks (en niet via de Proton Synchrotron Booster zoals bij de protonen) in de Proton Synchrotron worden geïnjecteerd, die ze versnelt tot 5,9 GeV per nucleon. Een tweede laag koolstof neemt ook de laatste 28 elektronen weg. In de Super Proton Synchrotron worden de nucleonen versneld tot 177 GeV, waarna ze in de LHC worden gebracht die ze versnelt tot 2,76 TeV per nucleon, dat is 574 TeV per Pb-ion.

Als twee zware ionen op elkaar botsen vormt zich een zogenaamd quark-gluonplasma. Die hete en chaotische vorm van materie kan ons veel leren over het vroege heelal. De hoeveelheid informatie die van één zo’n botsing komt is enorm, en het wordt voor de onderzoekers van bij ionenexperiment ALICE dan ook een grote uitdaging om de speld interessante informatie uit de hooiberg van metingen te vissen. Op dit plaatje is het resultaat van een botsing tussen twee goud-ionen te zien, in het Brookhaven National Laboratory in de V.S..
Brookhaven National Laboratory

Protonen en ionen zijn samengestelde deeltjes. Hun grote massa maakt het weliswaar mogelijk om hoge botsingsenergieën te verkrijgen, maar de eindproducten van de botsing zijn moeilijk te interpreteren. Men is niet meer zeker van de energie van elke quark bij de botsing en dat maakt het weer moeilijk om de eigenschappen te bepalen van mogelijke nieuwe deeltjes die bij de botsing kunnen ontstaan. Daarom bestaan er sinds 1995 ook reeds plannen om, als vervolg op de LHC, een International Linear Collider (ILC) te bouwen, waarin elektronen en positronen tot bijna de lichtsnelheid kunnen worden versneld. Elektronen en positronen zijn fundamentele deeltjes, waardoor hun botsingsenergieën nauwkeurig bekend zijn en de eigenschappen van nieuwe ontstane deeltjes precies kunnen worden bepaald. De LHC fungeert als het ware als hamer om een nieuw gebied op teraschaal open te breken; de ILC als een preciezer instrument om de resultaten in detail te kunnen bestuderen.

Het Grid

Het aantal botsingen resulteert in een gigantische vloed van data – ongeveer een megabyte (109) per botsing ofwel een petabyte (1015) per seconde. Per detector zou de datastroom 100.000 dvd’s per seconde vullen, een stapel die in een half jaar tot aan de maan zou reiken. Om die datavloed te beheersen is een gelaagd of getrapt trigger- en dataverwerkingssysteem ontwikkeld, dat werkt als een spamfilter waarbij gegevens van bekende reacties (events) meteen worden afgescheiden en alleen ‘veelbelovende’ events worden doorgelaten. Zo registreert bijvoorbeeld de ATLAS-detector slechts 1 dvd per minuut aan data, die ‘nieuwe fysica’ vertonen. Op een hoger niveau worden deze events gereconstrueerd, zodat een coherente verzameling gegevens – energie, impuls, baan – ervan ontstaat, die aan de World Wide LHC Computing Grid (WLCG) kan worden doorgegeven.

Reconstructie gebeurt in theorie ook op het Grid, namelijk in Trap-0. Het Grid is een wereldwijd computernetwerk waaraan zo’n vijftigtal landen deelnemen. Het is weliswaar eveneens getrapt, maar die getraptheid is een structuur die CERN (WLCG) op het Grid legt – het Grid zelf is ongestructureerd.

Eén van de computerzalen van CERN.
David Parker/Science Photo Library

Trap-0 bevindt zich op CERN zelf en bestaat uit 5000 commerciële pc’s, die de data op magneetbanden archiveren. Trap-0 stuurt die ruwe, onbewerkte data in gecomprimeerde vorm naar 12 Trap-1 centra, die in de Verenigde Staten, Canada en in verschillende Europese en Aziatische landen staan opgesteld, zodat de data op meer dan één plaats liggen opgeslagen. Nikhef/SARA in Amsterdam is zo’n Trap-1 centrum. Voor nadere analyse sturen de Trap-1 centra deelverzamelingen van de data naar landelijke Trap-2 centra – kleinere computercentra van zo’n veertigtal universiteiten en researchinstellingen. In totaal kan aldus WLCG gebruik maken van 50.000 over de wereld verspreide maar met elkaar verbonden computers.

Detectoren

In de LHC-ring zijn vier grote en twee kleinere detectoren geplaatst. ‘Groot’ betekent hier inderdaad: GROOT. ATLAS bijvoorbeeld is 44 m lang, met een diameter van 25 m en een gewicht van 7000 ton. CMS heeft een gewicht van 12.500 ton, is 21,5 m lang met een diameter van 15 m.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) is een algemene deeltjesdetector met een toroïdale (donutvormige) magneet, die alle events kan registreren. Voornaamste doel is de ontdekking van het higgsboson en de supersymmetrische deeltjes, die wellicht onderdeel kunnen zijn van de donkere materie. ATLAS staat opgesteld in botsingspunt 1 tussen de octanten 1-2 en 1-8.

De Atlas-detector van CERN’s nieuwe deeltjesversneller LHC is 44 meter lang en 22 meter hoog. De lagen en lagen van meetapparatuur zijn elk gevoelig voor andere soorten deeltjes. Atlas gaat vanaf eind 2007 op zoek naar het Higgs-deeltje, dat volgens natuurkundigen alle andere materie van massa voorziet.
CERN Photo

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) staat opgesteld in de tweede octant, voor de registratie van de botsing tussen de Pb-ionen. Doel is om quasivrije quarks en gluonen te genereren, zoals die in een quark-gluon plasma na de oerknal voorkomen.

CMS (Compact Muon Solenoid), heeft dezelfde doelen als ATLAS, maar meet de events op een alternatieve manier om aldus een zelfstandige confirmatie van de metingen te kunnen geven. Aangezien de LHC een uniek instrument is en de metingen niet door een ander instrument kunnen worden geëvenaard, dient LHC zélf voor een ‘onafhankelijke confirmatie’ te zorgen door twee onafhankelijke experimenten. CMS staat in botsingspunt 5.

LHCb (LHC beauty experiment) kijkt naar ‘beauty-’ of ‘bottom-quarks’ en hun antiquarks om te onderzoeken waarom geen antimaterie meer in het heelal aanwezig is en geen CP-behoud (CP violation) geldt.

TOTEM (Total cross section, elastic scattering and diffraction dissociation), geplaatst vlak bij CMS) meet de totale werkzame doorsnede van de 14 TeV proton-proton botsingen.

LHCf (LHC forward experiment) is 140 m ver van ATLAS geplaatst om de elastische verstrooiing onder kleine hoek (very forward scattering) te meten. Dergelijke reacties zijn van groot belang voor het begrijpen van botsingen van de hoogenergetische kosmische stralen met de aardatmosfeer. De injectie van de protonen vindt plaats in octanten 1-2 (dat is: tussen ATLAS en ALICE) en in octanten 1-8 (Tussen ATLAS en LHCb).

Peter Higgs voor de CMS detector, die misschien het Higgs deeltje zal vinden
CERN

Energieverbruik

Door zijn unieke ligging op de grens van Frankrijk en Zwitserland kan CERN de benodigde energie van beide landen betrekken. Het nominale jaarlijkse elektriciteitsverbruik van CERN is ongeveer 1000 GWh, waarvan 8 % nodig is voor de infrastructurele werkzaamheden en 92 % voor de versnellerfaciliteiten. Daarvan wordt het verbruik voor LHC (machine, experimenten, infrastructuur) geschat op 700 GWh. In de piekmaand juli is de gemiddelde totale elektriciteitsconsumptie van CERN zo’n 180 MW per dag, waarvan 120 MW door de LHC-faciliteit. Daarvan is 27,5 MW nodig voor de koeling van de supergeleidende magneten en 22 MW voor de experimenten. LHC werkt echter alleen in de lente- en zomermaanden, wanneer het elektriciteitsverbruik in Frankrijk laag is. Met een goedkoop tarief kan CERN namelijk via Électricité de France (EDF) stroom uit Frankrijk betrekken, maar van 1 november tot 31 maart hanteert het EDF de Effacement Jour de Pointe (EJP), waarbij de prijs viermaal zo hoog komt te liggen. In die periode werken de versnellers niet (al kost het opwarmen en weer afkoelen van LHC veel tijd en moeite) en daalt het elektriciteitsverbruik van CERN tot 35 MW per dag. Bij storing kan CERN automatisch overschakelen op het Zwitserse net en bij storing van zowel het Franse als het Zwitserse net komen op CERN massieve back-up dieselgeneratoren tot leven. “We can’t keep the machine and experiments running on diesel”, aldus een fysicus van CERN, “but we can supply enough emergency power to safely shut them down”. Het gehele energiesysteem van CERN wordt centraal geregeld vanuit het CERN Control Center (CCC).

De test

Op 10 september 2008 vond op CERN in bijzijn van autoriteiten van de 20 lidstaten, die in totaal 6,4 miljard euro voor de bouw van LHC hadden bijgedragen, een geslaagde test plaats, waarbij voor het eerst om 10:28 uur lokale tijd een protonenstroom in de klokrichting de gehele LHC doorliep. Via tv-verbindingen kon de succesvolle test op vele laboratoria over de gehele wereld worden waargenomen. Door een kortsluiting in de elektrische verbinding tussen twee magneten steeg op 19 september 2008 de temperatuur in de ring tot 100 K waardoor een quench (plotselinge overgang naar de normale toestand) in ongeveer 100 supergeleidende magneten in het 3 km lange octant 3–4 ontstond. Dit ging gepaard met een verlies van zes ton vloeibaar helium terwijl ook het vacuüm in de ringbuis verloren ging. Reparaties zullen tot midden zomer 2009 duren.

Meer over de LHC

Meer over het Standaardmodel

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 mei 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.