Versnellen en botsen

Op CERN bij Genève werken duizenden wetenschappers en technici uit tientallen landen samen aan het verleggen van onze grenzen van kennis over de deeltjeswereld. CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) is opgericht in 1954 en telt meer dan twintig lidstaten. Behalve goed natuurkundig onderzoek is internationale samenwerking de inzet van de organisatie. Nederland is een van de medeoprichters van CERN en een belangrijke deelnemer bij de grote experimenten op het lab. Nikhef coördineert de Nederlandse inbreng.

CERN beschikt over de grootste en krachtigste versneller ter wereld voor deeltjesonderzoek, de Large Hadron Collider (LHC). In de ringvormige versneller worden protonen (of zware atoomkernen) in twee richtingen tot bijna de lichtsnelheid opgejaagd. Op een aantal plaatsen botsen de deeltjes met elkaar. Grote detectoren registreren daar in extreem detail wat er bij de botsingen precies gebeurt. Onderzoekers van Nikhef zijn intensief betrokken bij drie van deze experimenten: ATLAS, ALICE en LHCb.

De ATLAS-detector is het grootste meetinstrument ter wereld, en bedoeld voor een breed palet van deeltjesonderzoek bij hoge energie. Een belangrijk studieobject voor ATLAS is daarbij het higgsdeeltje dat verklaart hoe deeltjes massa kunnen hebben. ATLAS ontdekte in 2012 samen met de CMS-detector op CERN dit deeltje, en onderzoekt sindsdien in steeds meer detail de eigenschappen ervan.

ATLAS is een universele detector, die de sporen van allerlei verschillende deeltjes in detail kan vastleggen. Nikhef werkte van begin af aan mee aan het ontwerp en de bouw van een aantal grote onderdelen (rood in de tekening) en is ook nauw betrokken bij de analyses van de metingen. Het instituut bouwt de laatste jaren intensief mee aan een nieuwe centrale detector voor ATLAS, de Inner Tracker of ITk.

De ALICE-detector is speciaal ontworpen voor het bestuderen van een oervorm van materie, het quark-gluonplasma. Deze oermaterie moet ooit vlak na de oerknal hebben bestaan en fysici hebben daarover nog talloze vragen. Het ziedende mengsel van kernbouwstenen ontstaat als met de LHC-versneller zware atoomkernen op elkaar worden geschoten, precies midden in ALICE.

ALICE heeft een aantal subsystemen om specifieke processen en deeltjes te meten. Nikhef bouwde mee aan de binnenste detector van ALICE, het Inner Tracking System of ITS (rood in de tekening). Recent is deze binnenste detector helemaal vernieuwd. Dit nieuwe systeem is mede door Nikhef ontwikkeld en deels in Amsterdam gebouwd. Nikhef draagt ook bij aan de analyses van alle meetgegevens van ALICE.

LHCb bestaat uit een detector dicht bij de plek van de botsingen, en een aantal andere detectorsystemen verderop. Nikhef ontwierp en bouwde mee aan de centrale VELO-detector voor het vinden van het beginpunt van deeltjessporen, en aan delen van de SciFi-detector die de sporen verderop vastlegt (rood in de tekening). Nikhef speelt ook een belangrijke rol in de analyses van het experiment.

De LHCb-detector is gespecialiseerd in onderzoek naar materie en antimaterie. Anders dan de overige LHC-experimenten kijkt LHCb maar in één richting naar wegvliegende deeltjes en voornamelijk naar deeltjes waarin bottom-quarks of hun antideeltjes voorkomen. In een sterk magneetveld bestuderen de onderzoekers heel nauw de eigenschappen van deze twee typen deeltjes, op zoek kleine verschillen tussen beide.