LHC

De kleinset detector van het LHC, de LHCb, blijkt de interessantste resultaten tot nu op te leveren.

LHC: eerste harde bewijs nieuwe natuurkunde opgedoken?

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door / 24 november 2011

De Large Hadron Collider heeft verschillen ontdekt in hoe deeltjes en antideeltjes radioactief vervallen. Dit kan helemaal niet, zegt het Standaardmodel. Nieuwe natuurkunde?

Waarom is er meer materie dan antimaterie?
Tijdens de Big Bang is er ongeveer evenveel materie als antimaterie gevormd. Vervolgens vernietigden de meeste materie en alle antimaterie elkaar in een vernietigende zee van straling. De kosmische achtergrondstraling is daar een afgezwakt overblijfsel van. Er bleef een klein restje materie over, dat waar wij uit bestaan. Een bekend natuurkundig raadsel is waarom er meer materie dan antimaterie is. Antimaterie is het gemakkelijkst te beschrijven als materie die terug in de tijd reist. Het is materie met alle eigenschappen, behalve massa, omgedraaid. Een antiproton, bijvoorbeeld, is even zwaar als een proton maar heeft een negatieve lading en bestaat uit drie antiquarks.

De kleinset detector van het LHC, de LHCb, blijkt de interessantste resultaten tot nu op te leveren.
De kleinset detector van het LHC, de LHCb, blijkt de interessantste resultaten tot nu op te leveren.

Kleinere detector toont eerste bewijs
Nu, voor het eerst, zijn er in de LHC van het CERN overtuigende bewijzen gevonden voor natuurkunde die materie ‘voortrekt’ boven antimaterie. Het eerste teken van nieuwe natuurkunde dat opduikt bij het LHC. Zou supersymmetrie kloppen? De spanning stijgt in de het natuurkundewereldje. Ironisch genoeg komt de ontdekking niet van de twee hoofddetectors van de LHC, ATLAS en CMS waar samen tienduizend mensen werken, maar van de kleinere LHCb, waar zeshonderd mensen werken.

Afwijking in verval anti-D0-mesonen
Het Standaardmodel staat alleen kleine verschillen toe in het gedrag van materie en antimaterie. Zo moet een antimateriedeeltje vrijwel even snel uit elkaar vallen als een materiedeeltje. Daar blijkt echter weinig van te kloppen: D0-mesonen (die zijn  deeltjes die niet zoals protonen en neutronen uit drie, maar slechts uit twee quarks bestaan) vallen anders uit elkaar dan anti-D0 mesonen. Onmogelijk, volgens het Standaardmodel. Deze deeltjes vallen uiteen in hetzij een pion en antipion of kaon en antikaon.De waarschijnlijkheid dat zich een pionpaar vormt in plaats van een kaonpaar is bij materie-D0 mesonen 0,8% groter dan bij antimaterie-D0 mesonen. Dat is acht keer zoveel als maximaal toegestaan door het Standaardmodel [2]. Het resultaat heeft een statistische significantie van 3,5 sigma (standaardafwijkingen). Dit komt neer op een kans van 1:2000 dat het hier om een statistische uitschieter gaat. Niet beslissend genoeg voor de natuurkundigen van de LHCb, die daarom doorgaan met het uitspitten van de data van de rest van 2011. De onderzoekers hopen zo een resultaat met vijf sigma (vijf keer de standaardafwijking in een normale verdeling) te bereiken, wat neer komt op een kans van 1 op de 1,7 miljoen dat het om een statistische fout gaat.

Supersymmetrietheorie SUSY de oplossing?
Deze afwijking is juist wel goed te verklaren met behulp van supersymmetrie, SUSY, een theorie die het standaardmodel uitbreidt met zware ‘super’ varianten voor elk bekend deeltje. Deze extra deeltjes produceren vereist enorm veel energie, de reden dat we ze nog niet waargenomen hebben. Als virtuele deeltjes bestaan ze (als een van de vormen van SUSY klopt) wel – elk deeltje, hoe zwaar ook, bestaat, zij het voor een extreem korte tijd, zegt  de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Sommige van die virtuele deeltjes kunnen het verval van bestaande deeltjes (zoals de D0-mesonen) veranderen. In Grossman’s studie (2) kunnen SUSY-deeltjes als gluino’s, de superversie van gluonen die de sterke kernkracht overbrengen, de asymmetrie bevorderen tot meer dan één procent. 0,8 procent valt hier binnen.

Supersymmetrie zou ook een ander netelig probleem oplossen. Als supersymmetrie klopt, krijgt het Higgsdeeltje – dat overigens steeds meer weg krijgt van het Schotse meermonster Nessie – precies de juiste massa. Dit zou het Standaardmodel behoeden voor ineenstorting. SUSY levert met die enorme dierentuin aan superdeeltjes ook een aantal goede kandidaat-deeltjes voor donkere materie. Viervijfde van alle materie bestaat uit donkere materie en kunnen we alleen waarnemen door de zwaartekrachtsinvloed. Er komt wel weer een netelig probleem bij. Als het Higgsdeeltje niet blijkt te bestaan, wat dan?

Of een andere theorie?
Toch is nog niet iedereen overtuigd, waaronder Grossman zelf. Misschien dat Grossman’s berekeningen niet kloppen. Hij gebruikte namelijk benaderingen in de berekeningen waarmee de maximale afwijking volgens het Standaardmodel op een tiende procent werd bepaald. Grossman denkt daarom dat er in de loop van 2012 veel nieuwe berekeningen zullen verschijnen.

Wellicht verklaart deze asymmetrie ook waarom er meer materie is dan antimaterie. Toekomstige studies moeten hier meer licht op werpen. Het natuurkundewereldje kijkt ondertussen reikhalzend uit naar meer aanwijzingen voor nieuwe natuurkunde. Want na drie decennia wordt het Standaardmodel wel erg saai.

Zal de aarde worden vernietigd door een zwart gat, geproduceerd door de LHC?

‘Opgevoerde LHC zou aarde kunnen vernietigen’

7 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 8 november 2011

Geen deeltjesversneller is in staat meer energie in een deeltje te proppen dan de Large Hadron Collider in Zwitserland. Zou de LHC een zwart gat kunnen produceren dat de aarde vernietigt of andere akelige gevolgen heeft? Die kans is niet geheel uit te sluiten, denken enkele fysici.

Kunnen deeltjesversnellers micro-zwarte gaten produceren?
Je krijgt volgens de algemene relativiteitstheorie vanzelf een zwart gat, als je maar voldoende massa of energie in een voldoende klein volume propt. De ontsnappingssnelheid wordt zo groter dan de lichtsnelheid. Gelukkig is het veel moeilijk om een klein zwart gat te maken dan een groot, omdat materie of energie voor een klein zwart gat veel sterker samengeperst moet worden. Rond de eeuwwisseling werd echter voor het eerst toch de mogelijkheid geopperd, dat deeltjesversnellers zwarte gaten kunnen maken. Immers: ook deze proppen heel veel energie in een klein volume en hoe meer energie een deeltje krijgt, hoe korter de bijbehorende golflengte. Op een gegeven moment is de golf zo klein en de hoeveelheid energie zo groot, dat er zich vanzelf een waarnemingshorizon en dus een zwart gat vormt.

Zal de aarde worden vernietigd door een zwart gat, geproduceerd door de LHC?
Zal de aarde worden vernietigd door een zwart gat, geproduceerd door de LHC?

Honderd miljard maal te zwak
Daar is alleen wel een monsterachtige hoeveelheid energie voor nodig. Zelfs het allerkrachtigste kosmische deeltje dat ooit waargenomen is, het mysterieuze Oh My God deeltje, was nog factor tienduizend te zwak om deze Planckenergie te bereiken. Ter vergelijking: dit deeltje had tien miljoen maal meer energie dan zelfs onze beste deeltjesversnellers aan een deeltje kunnen meegeven. De LHC zit dus honderd miljard maal onder de Plancklimiet. Kortom: we hoeven ons weinig zorgen te maken volgens de gevestigde natuurkunde.

Er zijn echter enkele mogelijkheden waardoor zich toch microscopische zwarte gaten kunnen vormen. De populairste (onder meer genoemd in de snaartheorie) is de mogelijkheid dat er extra ‘opgerolde’ dimensies zijn die verklaren waarom zwaartekracht relatief zo zwak is. Als dat klopt, is de zwaartekracht bij zeer kleine lengtes veel sterker en is er dus veel minder massa nodig om een zwart gat te maken. Tot nu toe blijkt er uit de LHC-experimenten echter niets van de vorming van welk zwart gat dan ook. De LHC haalde tot nu toe 4,5 GeV, wat die extra dimensies beperkt tot een duizendste nanometer of kleiner (minder dan een procent van de doorsnede van een atoom). Toch kunnen er in de LHC per jaar iets van honderd mini-zwarte gaten geproduceerd worden, als de uiterst speculatieve theorie van de extra dimensies klopt. Snaaradepten geloven dat.

Vier fases van zwartegatvorming
Marcus Bleicher en zijn medeauteurs van het Frankfurter Instituut voor Geavanceerde Studies analyseerden het probleem. Ze gaan er van uit dat er vier fases zijn in de vorming van een micro-zwarte gat. In de eerste fase wordt het pas ontstane object door zwaartekrachtsstraling symmetrisch.  In de tweede fase verliest het zwarte gat massa en draaiing door Hawkingstraling. In de Schwartzschildfase wordt het zwarte gat rond en verliest het minder snel massa. In de Planckfase verdampt het. Alleen de Schwartzschuildfase is goed bekend. Hoe het zwarte gat uiteindelijk verdampt (Planckfase) vereist kwantumzwaartekracht. Hier is nog geen werkende theorie voor. Hiervoor zou het nuttig zijn zwarte gaten rechtstreeks waar te kunnen nemen. De handigste methode is dan de LHC flink op te voeren, zodat er meer en langer levende zwarte gaten worden gevormd. [1]

Is het wel veilig om mini-zwarte gaten te maken?
In theorie wel. Immers: zwarte gaten vertonen Hawkingstraling, waardoor ze voortdurend energie verliezen. Bij grote zwarte gaten met een massa van bijvoorbeeld de aarde, de zon of de Melkweg is deze verwaarloosbaar. Daar kan je dus maar beter ver uit de buurt blijven. Voor een mini-zwarte gat niet. Dat verdampt in een oogwenk, lang voordat het wat voor deeltje ook op heeft kunnen slokken. Aan de andere kant: niemand heeft ooit een zwart gat van dichtbij gezien. Kwantumzwaartekracht is zoals gezegd uiterst speculatief. We weten niet of zwarte gaten op deze schaal zich niet heel anders gaan gedragen dan voorspeld. De reden dat de enorme LHC versneller is gebouwd, is nu juist dat we dingen willen waarnemen die we niet kunnen voorspellen.

Veiligheidsberekeningen bleken al eerder niet te kloppen
Technology Review wijst erop dat CERN en de Amerikaanse RHIC er al eerder flink naast zaten met hun schattingen van de veiligheidsrisico’s. Ook werden deze berekend door natuurkundigen van het CERN, die er uiteraard geen belang bij hebben hun veelbelovende onderzoek (en carrière) om zeep te helpen. Het blog pleit er daarom voor om een onafhankelijk onderzoek naar de veiligheidsrisico’s te laten doen. Want als het misgaat, gebeurt er mogelijk iets als in onderstaand filmpje.

The Black Hole That Swallowed The Earth

Aarde overleeft al 4,5 miljard jaar kosmische straling
Aan de andere kant: we hebben al gezien dat de aarde voortdurend getroffen wordt door zeer krachtige kosmische straling. De vangst van het Oh My God deeltje was een toevalstreffer, maar waarschijnlijk treft een veelvoud van veel krachtiger deeltjes dan dit deeltje voortdurend de aarde. En we leven nog steeds. Kortom: erg veel zorgen hoeven we ons mijns inziens niet te maken. Maar toch. We hebben maar één planeet. Laten we daar zuinig op zijn.

Bronnen
1. M. Bleicher et al., Micro Black Holes In The Laboratory, ArXiv (2011)
2. Black holes, safety and the LHC upgrade, Technology Review (2011)

Eend of konijn? Het hangt er vanaf wat voor theorie je over dit plaatje in je hoofd hebt.

“We missen het grootste deel in de Large Hadron Collider”

1 reactie / Filosofie, Wetenschap / Door / 23 maart 2011

Van de miljarden botsingen in de Large Hadron Collider, de enorme versnellingsring van het CERN op de grens van Frankrijk en Zwitserland waarmee protonen tegen elkaar worden gebeukt, worden er maar enkelen geanalyseerd. De rest wordt gezien als niet-interessant of “vervuild” omdat er onregelmatigheden in voorkomen. Dat is niet zo slim, stelt een groep onderzoekers. Deze onregelmatigheden zouden wel eens een goudmijn aan experimentele gegevens voor afwijkende natuurkundige theorieën kunnen opleveren.

Theoriegeladenheid van de waarneming
Wellicht herinnert u de stelling nog van een college wetenschapsfilosofie. Waarneming is theoriegeladen. Stel, je ziet een groot plantaardig ding ergens staan.

Eend of konijn? Het hangt er vanaf wat voor theorie je over dit plaatje in je hoofd hebt.
Eend of konijn? Het hangt er vanaf wat voor theorie je over dit plaatje in je hoofd hebt.

Een stedeling zal zeggen: een boom. Een plattelandsbewoner met meer natuurkennis zal hetzelfde groeisel aanduiden als een esdoorn. Een boomkweker kan misschien zelfs de cultivar herkennen. Een kind ziet een spannend ding om in te klauteren. Een ambtenaar ziet een stuk natuurwaarde (of, vaker, een lastig obstakel voor het nieuwe winkelcentrum dat voor de realisatie van de vierde doelstelling van het vijfjarenplan absoluut noodzakelijk is).

Alle zien ze hetzelfde object, maar door hun verschillende kennis en wereldbeeld interpreteren ze deze anders. Kortom: je kennis en de ideeën waarin je gelooft bepaalt heel sterk wat je ziet. Voor wetenschappers geldt dit nog sterker omdat ze met vaak zeer ingewikkelde wetenschappelijk instrumenten werken. Achter die instrumenten zit vaak een ingewikkelde theorie. Alles wat buiten deze theorieën valt, is in principe niet met het instrument waar te nemen of wordt gezien als een meetfout. Bij de natuurkundeopleiding leer je om al te afwijkende meetpunten weg te gooien. In landbouw- of biologisch onderzoek is dit een wetenschappelijke doodzonde als je daar geen heel goede reden voor hebt (bijvoorbeeld omdat je constateert dat een konijn de maïszaailingen in plot C3 heeft opgegeten), want daarmee verpest je de statistische eigenschappen van de proef.

Monomanie op de LHC?
De Large Hadron Collider is één van de duurste wetenschappelijke instrumenten ooit gebouwd. Onderzoekstijd op de LHC is schaars. Op dit moment wordt het meeste onderzoek gedaan om slechts één vraag te beantwoorden: bestaat het Higgsdeeltje? Het Higgsdeeltje is een door het Standaardmodel (het natuurkundige model dat het gedrag van alle tot nu toe ontdekte deeltjes geheel verklaart) verondersteld deeltje dat moet verklaren waarom sommige elementaire deeltjes zoals quarks en elektronen massa hebben. De LHC doet niets anders dan miljarden malen achter elkaar protonen opzwepen tot iets minder dan de lichtsnelheid en vervolgens op elkaar laten beuken. De bedoeling is dat er in ieder geval in enkele van die botsingen Higgsdeeltjes aan te treffen. Andere vragen, afkomstig van minder populaire theorieën, blijven daarentegen onderbelicht. Logisch: er is maar een beperkte tijd beschikbaar om te meten en er komt werkelijk een onvoorstelbare hoeveelheid data uit de LHC: per jaar vijftienduizend harde schijven. Alle botsingen waar niet precies iets uitkomt wat lijkt op een Higgsdeeltje, wordt weggegooid. Mogelijk zitten hier uiterst interessante dingen tussen.

Anomale botsingspaden
Deeltjesfysici Patrick Meade, Michele Papucci en Tomer Volansky vinden dat laatste niet erg slim. Ze stellen nu voor om ook te letten op andere “anomale botsingspaden”: gedrag van deeltjes die zich zeer afwijkend gedragen.

In een bellenkamer laten geladen deeltjes een spoor na van bellen. Zo werd het positron ontdekt.
In een bellenkamer laten geladen deeltjes een spoor na van bellen. Zo werd het positron ontdekt.

In tegenstelling tot de extreem nauwkeurige kwantumelektrodynamica, de theorie die elektromagnetisme op kwantumschaal beschrijft (dertien decimalen precies; de nauwkeurigste theorie ooit) is kwantumchromodynamica niet erg. Op zich is dat ook logisch: kerndeeltjes, vooral quarks: de bestanddelen van protonen en neutronen, zijn veel lastiger te meten dan de veel handelbaarder elektronen. Tot overmaat van ramp reageren gluonen, de deeltjes waarmee quarks op elkaar reageren, ook nog met elkaar, wat betekent dat zelfs het gedrag van een enkel proton of neutron al een wiskundige nachtmerrie wordt. Laat staan een complete atoomkern van, zeg, goud of uranium. Het betekent echter ook dat QCD wel eens niet kan kloppen en er zich allerlei nog onbekende deeltjes met afwijkend gedrag schuilhouden in de zee van gevormde deeltjes.

Op deeltjessafari
Afwijkend gedrag van deeltjes die in alternatieve theorieën voorkomen kan onder andere bestaan uit kinks: sporen die plotseling van richting lijken te veranderen zonder een tweede knooppunt, sporen die uit het niets lijken op te duiken, afwijkende relaties tussen energie en afstand, afwijkingen in timing, ‘normale’ sporen die minder hits (‘bubbels’) dan normaal opleveren, afwijkende krommingen en sporen die oplossen in het niets. Opmerkelijk genoeg stellen de drie dit soort verschijnselen al waar te hebben genomen in diverse botsingsproeven.
Het drietal stelt als echte experimenteel natuurkundigen voor om gewoon op deeltjessafari te gaan, afwijkende verschijnselen er uit te pikken en ons domweg te laten verrassen door wat Moeder Natuur ons voorschotelt. Gezien de niet bijster indrukwekkende resultaten van veertig jaar snaartheorie, klinkt dat als een zeer aantrekkelijk voorstel. We weten niet alles. Dat maakt wetenschap nou juist zo leuk.

Bron
ArXiv