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