Thursday, July 5, 2012
Wednesday, July 4, 2012
Klein deeltje, grote dag - Hoe hebben ze het Higgsdeeltje gevonden en wie moet de Nobelprijs krijgen?
Het kan vandaag niemand zijn ontgaan: wetenschappers hebben een nieuw fundamenteel deeltje ontdekt dat in overeenstemming lijkt met het langgezochte Higgsdeeltje. CERN-theoreticus John Ellis legt in onderstaand filmpje uit wat het Higgsdeeltje is.
Maar hoe hebben ze dat deeltje ontdekt? Wie moet er nu de Nobelprijs krijgen? Wat heeft Nederland bijgedragen? En wat heeft de deeltjesversneller nog meer in petto?
Onderstaand artikel gaat op die vragen in.
Aan de ontdekking van het Higgsdeeltje ging een meer dan twintig jaar lange titanische ingenieursklus vooraf die tot talloze technologische doorbraken heeft geleid. In 2007 bezocht ik de LHC-versneller, die toen bijna gereed was, en schreef ik de volgende reportage voor technologietijdschrift De Ingenieur:
Na meer dan twintig jaar aan ingenieurswerk, is de bouw van de Large Hadron Collider bij Genève bijna af. Deze deeltjesversneller breekt aan de lopende band records: de grootste supergeleidende magneten, de grootste heliumkoeling, de hoogste botsingsenergie, de grootste datastroom. Vrijwel alle onderdelen zijn uniek. Nederland draagt daaraan volop bij.
Dit artikel is gepubliceerd in De Ingenieur, november 2007
De LHC in cijfers:
Maar hoe hebben ze dat deeltje ontdekt? Wie moet er nu de Nobelprijs krijgen? Wat heeft Nederland bijgedragen? En wat heeft de deeltjesversneller nog meer in petto?
Onderstaand artikel gaat op die vragen in.
Uit de CERN-presentaties op 4 juli 2012
Na meer dan twintig jaar aan ingenieurswerk, is de bouw van de Large Hadron Collider bij Genève bijna af. Deze deeltjesversneller breekt aan de lopende band records: de grootste supergeleidende magneten, de grootste heliumkoeling, de hoogste botsingsenergie, de grootste datastroom. Vrijwel alle onderdelen zijn uniek. Nederland draagt daaraan volop bij.
Dit artikel is gepubliceerd in De Ingenieur, november 2007
De LHC in cijfers:
Omtrek: 26,659 kilometer
Protonenergie bij botsing: 7 TeV (= 7 × 10^12 elektronvolt). Ofwel: een botsingsenergie van 14 TeV.
Aantal deeltjes in de protonenbundel: 300 × 10^12
Botsingskans van twee protonen wanneer twee bundels met kluitjes protonen op elkaar botsen: één op tien miljard
Aantal botsingen per seconde: zeshonderd miljoen
Verwachte aantal geproduceerde Higgsdeeltjes per jaar: tussen tien en honderd
Aantal rondjes dat de protonen in één seconde afleggen: 11.245 (ze bewegen vrijwel met de lichtsnelheid)
Energieverbruik: 120 miljoen watt
Totale kosten voor de bouw van de LHC: ongeveer vier miljard euro
De titanenklus
Het is half juni 2007. In een assemblagehal van het Europese versnellerinstituut CERN staat een 240 ton wegende supergeleidende magneet. Elf meter breed is het gevaarte. Het is een van de twee kurken (end-caps) op de ATLAS-detector, de grootste van de vier deeltjesdetectoren van de Large Hadron Collider (LHC). De magneet heeft net de laatste koeltest doorstaan en is nu gereed voor zijn voetje-voor-voetje-afdaling naar de deeltjesversneller, honderd meter onder de grond van Genève.
De Nederlander Herman ten Kate is sinds 1996 de baas van alle supergeleidende magneten van de ATLAS-detector. Hij is verantwoordelijk voor alles wat er nodig is om de magneten te laten werken: de supergeleidende spoelen, de koeling tot enkele graden boven het absolute nulpunt, de stroomvoorziening en het controlesysteem. “De media hebben het bijna altijd over de zoektocht naar het Higgsdeeltje, als het over de LHC gaat”, zegt hij, staande naast de end-cap. “Zelden realiseren mensen zich dat er meer dan twintig jaar aan engineering nodig is voor je de versneller überhaupt kunt aanzetten.”
De belangrijkste taak van ATLAS wordt het detecteren van muonen. Het muon is een van de elementaire deeltjes uit de natuur. Het heeft dezelfde lading als het elektron, maar is meer dan tweehonderd maal zo zwaar. Het idee is dat de detectie van vier speciale muonsporen het Higgsdeeltje verraadt. Dit deeltje is de missing link uit het Standaardmodel, momenteel het beste model dat elementaire deeltjes en krachtdragers beschrijft. Volgens de theorie zorgt het ervoor dat andere deeltjes de massa krijgen die ze hebben. Het opsporen van het Higgsdeeltje is het eerste grote doel van de versneller.
Grootste magneet ter wereld
Een lift brengt ons beneden bij de kolossale ATLAS-detector. Hoe exotischer de te detecteren deeltjes, hoe groter de detectoren. 44 meter lang is het apparaat en 22 meter breed. Metaalachtig lawaai klinkt alom, want overal zijn technici nog hard aan het werk. Veel is al af, maar juist omdat nog niet alles af is, kunnen we vrijwel alle essentiële onderdelen nog open en bloot zien liggen. Om muonen en andere geladen deeltjes te detecteren, buigen magneetvelden ze af. Speciale muonkamers meten de deeltjessporen. Uit de kromming van een baan berekenen fysici vervolgens de impuls en de lading van een deeltje.
Het supergeleidende magnetensysteem van ATLAS is het grootste ter wereld. Rondom het hart van de detector liggen acht langgerekte 0-vormige spoelen, elk 25 meter lang en vijf meter breed. Samen vormen ze een toroïde, die een ringvormig magneetveld creëert rond de detector-as. “Dat is uniek”, vertelt ten Kate, “want vrijwel alle andere magneten in de wereld maken een magneetveld dat in de lengterichting door een cilindervormige spoel loopt.”
Alle ATLAS-magneten bestaan uit supergeleidende spoelen die met helium worden gekoeld tot 4,2 graden boven het absolute nulpunt. Het opgewekte magneetveld is gemiddeld 1 tesla. Door hun afmetingen worden de krachten enorm. Op elk van de acht spoelen komt straks een kracht van vijftienhonderd ton te staan. Het beheersen hiervan was een grote uitdaging. Ten Kate: “Als de detector in de grond zit, kun je geen grote zaken meer vervangen. Daarvoor ontbreekt gewoon de tijd en het geld. Daarom moeten we alle onderdelen heel goed testen voor we ze in de detector installeren. Het is eigenlijk net als met een satelliet.”
De twee end-capmagneten zitten als kurken op de linker- en rechteruiteinden van de ATLAS-detector. Ze maken het mogelijk dat de detector ook muonen detecteert die in voorwaartse of achterwaaryse richting wegvliegen. Allebei zijn ze van Nederlandse makelij. HMA uit Ridderkerk maakte de spoelsegmenten van de magneet. Schelde-Exotech uit Vlissingen fabriceerde de twee aluminium vacuümvaten, die elk als een thermoskan de supergeleidende spoelen isoleert van de buitenwereld. Het maken van de end-caps heeft heel wat hoofdbrekens gekost. Ten Kate: “HMA zou eigenlijk ook alle spoelsegmenten bij elkaar moeten voegen tot één geheel. Maar tijdens de productie werd het bedrijf overgenomen door het generatorbedrijf Brush. Brush had weinig interesse in ATLAS en heeft uiteindelijk het contract dat wij met HMA hadden afgekocht. Toen hebben we de losse modules van HMA hier op CERN tot een geheel moeten smeden. Dat is een voorbeeld van een van de vele dingen die bij zo’n titanenklus als de LHC anders lopen dan gepland.”
Doorbranden voorkomen
Naast zijn baan bij CERN is ten Kate ook nog bijzonder hoogleraar bij de vakgroep Lage Temperaturen van de Universiteit Twente, gespecialiseerd in supergeleiders. Op grond van die expertise werd hij ook door CERN gevraagd voor de magnetenklus.
“Voor ATLAS hebben we een speciale truc moeten uithalen met de supergeleidende kabels”, vertelt ten Kate. “Standaard gebruikt men een draad bestaande uit vele duizenden supergeleidende niobiumtitaniumdraadjes die gerangschikt zijn in een soort van achthoekige bundeltjes. Het geheel is ingebed in koper. Maar speciaal voor ATLAS hebben we de buitenkant van de kabel van een laag aluminium voorzien. Dat is voor de beveiliging. Stel dat er iets mis gaat met de koeling, en het niobiumtitaan ineens boven de kritieke supergeleidende temperatuur komt. Dan neemt de elektrische weerstand ineens enorm toe. Boven de kritieke temperatuur is niobiumtitaan namelijk een slechte geleider. Zowel het koper als het aluminium moet de elektrische stroom dan toch kunnen afvoeren. Als we geen extra aluminium zouden aanbrengen, zouden de kabels binnen enkele milliseconden doorbranden.”
De supergeleidende magneten die vlak voor het botsingspunt in ATLAS de deeltjesbundel sterk samenknijpen, gaan naar verwachting zo’n zes tot acht jaar mee. Tegen die tijd zijn ze kapotgeschoten door de radioactieve deeltjes die bij de botsingen vrijkomen. De kabels zijn dan zo ver gedegradeerd dat ze hun supergeleidende eigenschap grotendeels hebben verloren. Omdat de LHC zo’n vijftien jaar moet draaien, moeten die magneten dus ergens in de tussentijd worden vervangen.
Ten Kate: “Er staat nu al een LHC-upgrade gepland ergens tussen 2016 en 2018. Die upgrade is in eerste instantie bedoeld om meer botsingen per seconde te gaan maken. Dat gaan we doen door met nog sterkere magneten de deeltjesbundels nog meer samen te knijpen voor ze in de detectoren op elkaar botsen. En misschien dat we daarbij al een nieuw type supergeleidende kabel kunnen gebruiken. We werken namelijk aan kabels gemaakt van niobium-3-tin in plaats van niobiumtitaan. Daar kun je sterkere magneetvelden mee halen, maar het materiaal is lastiger te hanteren, waardoor de technologie wel duurder wordt.”
Wat gaat de ATLAS-magnetenbaas doen als de detector af is? “Het eerste jaar zijn er vast nog wel technische problemen die we moeten oplossen, maar daarna is het alleen nog maar wat onderhoud en reparaties hier en daar. Dan wordt het een routineklus, en ga ik weer wat anders doen. Zo’n gigantisch project als de LHC maak je maar een keer in je leven mee.”
Muondetectie
Rondom de acht langgerekte 0-vormige ATLAS-magneten, liggen de muondetectiekamers. Elke kamer bestaat uit vijfhonderd tot zevenhonderd muondetectiebuizen. Het Nikhef in Amsterdam – het nationale instituut voor subatomaire fysica – heeft veertigduizend van de in totaal driehonderdduizend muondetectiebuizen van ATLAS gemaakt. Projectleider van de Nederlandse buizen is Gerjan Bobbink. Staande voor de ATLAS-detector wijst hij op de al geplaatste detectiekamers: “De kamers die wij hebben gemaakt zijn vijf meter lang en 2,2 meter breed. Onder de zwaartekracht buigen ze een beetje door. Dat compenseren we door met speciale schroeven extra te trekken aan de detectiebuizen tot ze recht lopen.”
De muondetectiekamers zitten tussen de vijf en elf meter van de botsende bundels vandaan. Naast het Nederlandse instituut hebben ook Duitse, Italiaanse, Russische, Griekse en Franse collaboraties muondetectiekamers gebouwd. De stickers van de makers plakken er nog op. Afhankelijk van waar in de detector ze worden geplaatst, hebben ze een andere lengte.
De deeltjes die door de muonkamers schieten, zijn ofwel neutrino’s, die zo weinig massa hebben dat ze vrijwel overal doorheen vliegen, ofwel hoogenergetische muonen, die zo ver komen omdat ze zo zwaar zijn. Als de kamers een muon detecteren, wordt dat signaal gebruikt om orde te scheppen in de enorme hoeveelheid deeltjes die vlakbij het botsingspunt rondvliegen. Het muonspoor kan namelijk doorgetrokken worden naar het botsingspunt. Zo weten fysici snel welke deeltjessporen interessant zijn om op te slaan en welke deeltjessporen ze meteen kunnen weggooien. Vlakbij het botsingspunt worden alle geladen deeltjes gedetecteerd. Maar een groot deel hiervan is fysisch niet interessant, en dus is het slim om snel het kaf van het koren te scheiden.
Bobbink: “We kunnen vrijwel real-time zeggen of een spoor afkomstig is van een muon of niet. En honderd maal per seconde slaan we de data op. We kunnen ook de minimale muonenergie instellen die we willen detecteren. Muonen met een lagere energie slaan we niet op, omdat we die oninteressant vinden.”
Het Nikhef maakte buizen van vijf meter lengte, met in het midden een draad van vijftig micrometer dikte. Het principe van zo’n detectiebuis is eenvoudig. In elke buis zit een gas op hoge druk (argon-koolstofdioxide). Als er een geladen deeltje door de buis schiet, wordt het gas geïoniseerd. De draad in de buis staat onder een elektrische spanning van 3080 volt. De geïoniseerde atomen bewegen naar de draad en veroorzaken zo een elektrisch signaal. Uit de drifttijd bepalen fysici op welke afstand van de draad het muon binnenkwam. Een tweede detectorsysteem meet de positie langs de draad. Uit die twee gegevens volgt de positie van één punt op het muonspoor. Het hele muonspoor volgt dan uit een reeks gemeten posities.
Een jaar zoeken naar misschien tien Higgsdeeltjes
“De grootste uitdaging voor ons is de plaatsnauwkeurigheid”, zegt Bobbink. “We moeten de plaats van de muonen op twintig micrometer precies kunnen bepalen. Daarvoor moeten we dus precies weten waar de draad in de detectiebuis zit. Als de temperatuur schommelt, wordt de draad al snel iets langer of korter. Daar moeten we rekening mee houden. We proberen de temperatuur zo goed mogelijk constant te houden. Daarnaast zit op elke kamer een twintigtal temperatuursensoren.”
Tussen 2001 en 2005 zijn de Nikhef-buizen een voor een gemaakt in een cleanroom van het Amsterdamse instituut. De detectiebuizen moeten het hele LHC-leven meegaan, en dus zijn ze allemaal aan strenge tests onderworpen. In Amsterdam zijn alle buizen getest met kosmische straling, waarin ook hoogenergetische muonen zitten. Na transport naar Genève zijn ze nogmaals getest. “Tijdens die test bleek dat er maar tien op de veertigduizend buizen het niet deden”, zegt Bobbink. “Maar dat is geen ramp. De muonkamers zijn overbepaald. Een enkel spoor wordt door een stuk of twintig buizen gemeten. Dan mag er best eentje stuk zijn.”
Een eveneens door het Nederlandse instituut ontworpen optisch uitlijnsysteem meet met infrarood licht continu de precieze positie van elke detectiekamer. “Als er ergens een afwijking wordt gemeten, kan dat meteen worden bijgeregeld”, zegt Nikhef-directeur Frank Linde. “De bouw van de LHC is een en al check-check-dubbelcheck. Overal in de LHC moet je grenzen verleggen om tussen de miljarden botsingen in een jaar de natuurkundig interessante eruit te pikken. In een jaar tijd meten we misschien maar tien tot honderd Higgsdeeltjes. Een speld in een hooiberg is er niks bij. Eigenlijk zoeken we met de LHC in een heleboel hooibergen naar één speld.”
1500 kilometer glasvezelkabels
Zowel het aansturen van de versnellermagneten en de detectoren, als het verzamelen van de meetgegevens gebeurt via glasvezelkabels. Dit netwerk is grotendeels aangelegd door het Nederlandse bedrijf Draka.
“Alleen al in de tunnel hebben we zo’n vijftienhonderd kilometer glasvezelkabels aangelegd”, zegt Draka-verkoopmanager Erik Bresser aan de telefoon. “Glasvezels aanleggen voor de LHC is wel wat anders dan glasvezels aanleggen voor de telecommunicatie in Nederland. Er werken veel verschillende bedrijven tegelijk in de tunnel. Er zijn tunnelsecties waar je straks door de straling niet meer bij kunt. En je komt continu onverwachte dingen tegen, zoals het overbruggen van een grotere afstand dan gepland.”
Rond 1997 ontwikkelde Draka als eerste een nieuwe installatietechnologie: JetNet. Met deze techniek wordt een minikabel die een aantal glasvezels bevat onder hoge druk in een minibuis geblazen. “Als een vliegend tapijt zweeft de kabel de minibuis in”, vertelt Bresser. “Deze techniek is daarna in heel Europa overgenomen. Het grote voordeel is dat je het glasvezelnetwerk in stappen kunt aanleggen. Zo hoeft een bedrijf niet alle investeringen in een keer te doen. Je kunt eerst de buizen aanleggen, en pas als je de glasvezels nodig hebt, blaas je deze erin. Ook kun je later extra kabels bijblazen, als je de buitenbuis breed genoeg maakt. De blaasapparatuur hebben we zelf verder ontwikkeld, bijvoorbeeld door het toevoegen van een kabelsmeereenheid. De truc is om over een zo groot mogelijke afstand, en zo snel mogelijk, de kabel in de buitenbuis te blazen.”
Hoofdverantwoordelijke voor de optische bekabeling van CERN is de Nederlander Luit Koert de Jonge, die al meer dan dertig jaar voor het Europese versnellerinstituut werkt. Hij legde eind 2002 een test voor aan de vijf bedrijven die wilden meedingen naar de opdracht voor het glasvezelnetwerk: “Ze moesten over een afstand van 2,5 kilometer de minikabel in een keer in de minibuis blazen met een minimum snelheid van dertig meter per minuut. Draka kon dat verreweg het beste, en was bovendien het goedkoopste. Meestal gaat dat niet samen, maar hier wel.”
Een compressor blaast met lucht onder een druk van zestien atmosfeer de als minikabel gebundelde glasvezels de minibuis in. Inmiddels is Draka er zelfs in geslaagd om de minikabel over een afstand van 3,5 kilometer in een keer te blazen – een record. De Jonge: “Dat lukte omdat de blaastechniek verder is verbeterd door een speciaal soort smerende microfilm aan de binnenkant van de minibuis aan te brengen. Normaal raakt de minikabel de minibuis bij het inblazen slechts licht. Maar het smeermiddel zorgt ervoor dat de wrijving nog eens flink wordt verlaagd. De smerende film kan zelfs tegelijk met de minikabel mee worden geblazen.”
De Jonge neemt me mee de LHC-tunnelbuis in, en laat zien waar de glasvezelkabels overal de tunnel binnenkomen om de bundelinstrumentatie aan te sturen. Langzaam maar zeker raakt de tunnelbuis voller en voller met apparatuur. “Voor ons had de tunnelbuis inderdaad wel breder mogen zijn”, zegt hij. “Maar ja, dan was de LHC nog duurder geworden.”
We wandelen langs de blauwe supergeleidende versnellermagneten die de protonen afbuigen. Alle 1232 van dit soort magneten zijn inmiddels in de 27 kilometer lange tunnelbuis geplaatst. Elke vijftien meter lange magneet is een paar millimeter gekromd, om mee te buigen met de versnellertunnel. Die kromming is met het blote oog net te zien. Langs de binnenwand van de tunnel loopt een enkele centimeters dikke kabel, speciaal aangelegd om het mobiele telefoonverkeer in de tunnelbuis mogelijk te maken. Af en toe fietsen technici langs, of passeert een elektrisch karretje. Binnen een half uur hoor ik Engels, Frans, Spaans, Pools en Duits.
Stralingsbestendige glasvezel
Een punt van zorg was het effect van de radioactieve straling die de versneller produceert op de glasvezels. Om dat te onderzoeken, liet CERN speciale stralingstests uitvoeren van alle materialen. “De gewone Draka-vezel was al vrij goed”, zegt de Jonge, “en die hebben we ook veel gebruikt. Maar dichtbij de bundelpijpen loopt de straling zo hoog op dat de gewone glasvezel bij de test helemaal zwart werd. Voor die stukken hadden we in totaal ongeveer 1700 kilometer glasvezel nodig die deze straling wel zou aankunnen. Zowel Draka als andere fabrikanten hebben geprobeerd een vezel te maken die dat aankon. Uiteindelijk slaagde het Japanse bedrijf Fujikura daar als beste in. Draka verwerkte die glasvezels vervolgens in de minikabels.”
Als de lift ons weer naar de bovenwereld brengt, laat de Jonge me tenslotte nog zien wat voor een grote hoeveelheid aan glasvezelkabels er aankomt in het bovengrondse controlehart van CERN. Rekken vol met optische connectoren waaruit glasvezelkabels steken. Overal knipperende lichtjes van netwerkapparatuur. Elke vezel die hier aankomt, is individueel doorgemeten en goedgekeurd. Aan elke vezel hangt een label waarop staat waar hij naar toe gaat. Als de versneller straks op volle toeren draait, verwerkt het controlehart per seconde een hoeveelheid informatie die overeenkomt met die van het volledige Europese telecomnetwerk.
Het moment waarop de versneller voor het eerst wordt aangezet, stond in eerste instantie gepland voor eind 2007. Maar dat is onhaalbaar. In maart knalde een speciale versnellermagneet tijdens een test uit elkaar: ongelukkigerwijs net een magneet die werd gemaakt door het concurrerende Amerikaanse Fermilab. Alle zestien soortgelijke magneten moesten daarna versterkt worden. Daarnaast duren ook veel andere werkzaamheden langer dan gepland. Zo ook het koelen van de versneller. De versneller is verdeeld in acht taartpunten, die een voor een worden gekoeld tot 1,9 kelvin. Nooit eerder werd er in de wereld over zulke afstanden gekoeld tot een paar graden boven het absolute nulpunt.
Volgens de nieuwe planning moeten de eerste protonen in mei 2008 botsen. Dat zal in ieder geval bij een veel lagere energie zijn dan de maximale energie van zeven tera-elektronvolt – de energie waarbij de machine uiteindelijk de interessante fysische experimenten gaat uitvoeren. Niemand verwacht dat de LHC dan ook meteen vlekkeloos functioneert. Daarvoor is de machine veel te gecompliceerd. Het zal maanden duren eer de versneller een voldoende krachtige bundel produceert, en eer de detectoren voldoende fijngeregeld zijn om te beginnen met de eerste serieuze fysische experimenten. Dat zal best wel eens in 2009 kunnen worden.
En áls het Higgsdeeltje opduikt uit de experimenten, dan zal dat niet eerder zijn dan na een jaar of drie experimenteren. Dan pas kan er voldoende statistiek verzameld zijn om een keiharde conclusie te trekken. De meeste hoge-energiefysici verwachten echter dat het deeltje wordt gevonden. Pas echt spannend wordt het als de LHC ook volslagen onverwachte natuurkunde tevoorschijn tovert.
Nederland draagt bij aan drie van de vier LHC-detectoren. De grootste bijdrage zit in de ATLAS-detector, tevens de grootste van de vier detectoren. Aan ATLAS werken ongeveer 1800 onderzoekers uit meer dan dertig landen. ATLAS is een soort multifunctionele detector die deeltjes van allerlei soorten en maten kan opsporen. Toch kijken fysici voornamelijk uit naar de zoektocht naar het Higgsdeeltje. Verder hopen ze natuurlijk ook onverwachte dingen te ontdekken.
Daarnaast werkt Nederland mee aan het experiment met de ALICE-detector. ALICE gaat een bijzondere materietoestand onderzoeken, die heerste toen het heelal ongeveer tien microseconden oud was. De bouwstenen van atomen – protonen en neutronen – bestonden toen nog niet. Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit quarks, en die quarks worden bij elkaar gehouden door een soort van lijmdeeltjes: gluonen. Volgens de theorie vlogen vlak na de geboorte van het heelal quarks en gluonen vrij rond in een soort van soep die quarkgluonplasma heet. ALICE gaat deze plasmatoestand onderzoeken.
Waarschijnlijk bestaat deze toestand nog steeds in het binnenste van zeer dichte neutronensterren. Daar is de druk namelijk zo hoog dat protonen en neutronen niet meer kunnen bestaan, maar opgelost zijn tot een quarkgluonplasma.
ALICE kan een quark-gluonplasma maken door zware loodionen met hoge snelheid op elkaar te laten botsen. Voor dit experiment slingert de LHC dus geen protonen rond, maar loodionen. Kortstondig ontstaat vervolgens een quarkgluonsoepje dat echter snel afkoelt en condenseert tot gewone materie. ALICE bestaat uit verschillende componenten die elk karakteristieke eigenschappen van het quarkgluonplasma zullen meten. Aan deze detector werken zo’n duizend onderzoekers uit dertig landen. De kunst van ALICE is om tegelijkertijd de duizenden deeltjes te meten die ontstaan wanneer het quark-gluonplasma vlak na het ontstaan weer condenseert tot gewone materie.
De derde detector waaraan Nederland meedoet, is de LHCb-detector. LHCb gaat het raadsel van de antimaterie onderzoeken. Volgens de gangbare theorie ontstond uit een gigantische hoeveelheid energie na de geboorte van het heelal evenveel materie als antimaterie. Maar inmiddels bestaat het heelal voor het overgrote deel uit materie.
Waarom is die antimaterie verdwenen? Dat gaat LHCb uitzoeken via exotische deeltjes die b-mesonen heten. Tijdens de proton-protonbotsingen in de LHC-versneller worden b-mesonen geproduceerd, die bestaan uit twee quarks. Deze vervallen snel in andere deeltjes. Verschillende detectoronderdelen volgen de deeltjes en identificeren hun eigenschappen. Uiteindelijk hoopt men via nauwkeurige meting van de vervalswijzen van b-mesonen de bron te vinden van de asymmetrie tussen materie en antimaterie. Aan LHCb werken bijna zeshonderd onderzoekers uit vijftien landen.
Alleen aan CMS, de vierde LHC-detector, doet Nederland niet mee. CMS (Compact Muon Solenoid) kan in feite hetzelfde als ATLAS. Ook deze detector gaat zoeken naar het Higgsdeeltje, maar kent een ander, compacter ontwerp. Op sommige aspecten is ATLAS beter, op andere CMS.
Als de LHC straks op volle toeren draait, produceren de vier detectoren jaarlijks een in de wereld ongeëvenaarde hoeveelheid gegevens: in de grootteorde van tien petabytes per jaar, ofwel tien miljoen gigabytes. Dat zijn ongeveer drie miljoen volgeschreven dvd’s.
Om te kijken of er interessante nieuwe fysische verschijnselen zijn opgetreden tijdens de deeltjesbotsingen, moeten de data worden geanalyseerd. Die rekenklus wordt niet langer meer alleen op CERN geklaard, maar over de wereld verdeeld via een netwerk van aan elkaar gekoppelde computercentra: het LHC-Computing Grid, ofwel LCG.
CERN zelf is het centrale LCG-knooppunt – Tier 0 geheten (Rang 0) – waar alle data van de vier detectoren het eerst binnenkomen en ook in hun geheel worden opgeslagen. Vanuit CERN worden de data vrijwel real-time verdeeld over elf grote dataopslag- en rekencentra (Tier 1). Nederland krijgt via Nikhef en SARA in Amsterdam ongeveer tien procent van alle data. Nikhef en SARA werken samen als één enkele Tier-1.
De rest van de data wordt verdeeld over tien andere Tier-1-centra: het Forschungszentrum Karlsruhe (Duitsland), het IN2P3 Centre de Calcul in Lyon (Frankrijk), het CNAF in Bologna (Italië), het Rutherford Appleton Laboratory in Chilton (Engeland), het PIC in Barcelona (Spanje), de Nordic Data Grid Facility in Kopenhagen (Denemarken), het Brookhaven National Laboratory (bij New York, VS), het Fermi National Accelerator Laboratory (bij Chicago, VS), het TRIUMF in Vancouver (Canada), en het ASGC in Taipei (Taiwan). De Tier-1-centra slaan elk een deel van de data op, als een back-up van de CERN-dataopslag, en hebben ook een grote rekencapaciteit voor het analyseren van de ruwe gegevens.
Vanuit deze Tier-1-centra gaat een deel van de gegevens naar Tier-2-centra, die vaak in de regio liggen van de Tier-1-centra. Tier-2-centra hebben typisch tot enkele tientallen terabytes aan dataopslagcapaciteit. En ten slotte gaat weer een deel daarvan naar Tier-3-centra: voornamelijk afdelingen van universiteiten. Hier worden geen gegevens opgeslagen, maar alleen berekeningen op de data uitgevoerd. In totaal zullen wereldwijd meer dan tweehonderd computercentra meedoen aan LCG.
De Nederlander Maarten Litmaath werkt op CERN als computerdeskundige aan de gridstructuur: “Geleidelijk breiden we het net uit en maken we het betrouwbaarder en gemakkelijker. We hebben bijvoorbeeld programmatuur gemaakt die functioneert als een soort van informatiemakelaar. Deze zoekt uit in welk computercentrum bepaalde data het best kunnen worden geanalyseerd. Bijvoorbeeld waar de wachtlijst het kortste is, of waar het grootste deel van de data een kopie in de buurt heeft, zodat er zo min mogelijk hoeft te worden gekopieerd van elders.” Uiteindelijk heeft het LCG wereldwijd ongeveer honderdduizend CPU’s nodig. Op dit moment is het grid gekoppeld aan ongeveer dertigduizend CPU’s; typisch 3-gigahertz pentium-4-processoren.
Litmaath: “In 2006 hebben we een paar records gehaald. Vanuit CERN hebben we toen 24 uur achter elkaar gegevens naar de elf Tier-1-centra gestuurd met een constante snelheid van 1,6 gigabytes per seconde in totaal. En over een periode van tien dagen haalden we minstens 1,2 gigabytes per seconde. Onze belangrijkste taken zijn nu om nog meer CPU’s met het grid te verbinden, en vooral ook om het grid stabiel te laten werken over een lange tijd. En als we hebben aangetoond dat we gedurende een paar jaar met honderdduizend CPU’s kunnen werken, dan willen we dat aantal nog eens tienmaal zo groot maken. Eigenlijk komen we altijd opslagruimte en rekenkracht tekort.”
Behalve de technische realisatie van de gridstructuur is het beveiligen van het grid tegen inbrekers van buiten een belangrijke uitdaging. Want hoe meer computers er aan elkaar worden gekoppeld, hoe meer wegen om op het netwerk in te breken.
Niemand twijfelt eraan dat als de LHC het Higgsdeeltje vindt, een Nobelprijs voor Natuurkunde klaarligt. Maar voor wie? Voor meneer Higgs? Voor het instituut CERN? Voor de belangrijkste versneller- of detectorontwerpers?
Nobelprijzen zijn dikwijls aanleiding geweest voor grote ruzies als mensen zich gepasseerd voelden, en ook voor het lang uitstellen van de prijs omdat het Nobelcomité de beslissing te moeilijk vond. Wie de Nobelprijs voor Natuurkunde zou moeten krijgen als het Higgsdeeltje in de versneller opduikt, is ook lastiger dan op het eerste gezicht lijkt.
“In ieder geval voor Peter Higgs”, zegt Nikhef-directeur Frank Linde. “Hij heeft het deeltje voorspeld. Volgens mij is dat ook het enige deeltje dat naar een mens is vernoemd.”
En dat heeft meteen een groot nadeel opgeleverd. Omdat het deeltje naar de Britse natuurkundige Peter Higgs is vernoemd, is hij automatisch degene die altijd wordt genoemd als het gaat over de voorspelling van het deeltje. Onterecht. Want de twee Belgen Robert Brout en François Englert van de Vrije Universiteit Brussel zijn de medeontdekkers. Linde: “Brout en Englert zijn nogal in de vergetelheid geraakt, omdat lange tijd alleen maar de naam van Peter Higgs werd genoemd, als het over het Higgsdeeltje ging. Dat ligt trouwens niet aan Peter Higgs, want hij is de bescheidenheid zelf. Als de LHC het deeltje vindt, dan zouden Brout en Englert moeten delen in de Nobelprijs. Zij hebben samen, in dezelfde uitgave van hetzelfde tijdschrift in 1964, hetzelfde mechanisme voorspeld als Peter Higgs. En ze deden dat onafhankelijk van elkaar.”
In zijn boek Feiten en mysteries in de deeltjesfysica schrijft de Nederlandse Nobelprijswinnaar Martinus Veltman: “Ik voel me een beetje schuldig betreffende Brout en Englert, want in 1971 hoorde ik over het werk van Higgs, maar pas later over hun werk. Daarom citeerde ik ze aanvankelijk niet. Dat is een van de redenen dat ze niet zo bekend werden als Higgs. In 1997 kregen ze volledige erkenning, toen ze samen met Higgs de prijs voor Hoge-energie- en Deeltjesfysica van de European Physical Society kregen.”
Omdat de Nobelprijs maar aan maximaal drie personen kan worden toegekend, zou CERN dan buiten de boot vallen. “Dat zou ook vreemd zijn”, zegt Linde, “want zonder versneller kun je het Higgsdeeltje niet ontdekken. Dan zou de prijs naar CERN als collaboratie moeten gaan, en niet naar individuele personen. Of, één persoon van CERN zou de prijs in ontvangst moeten nemen namens de collaboratie.”
Maar dan zijn er vier personen, in plaats van drie, en dat mag niet volgens de spelregels van de Nobelprijs. Misschien dat er dan wel wordt gewacht met het toekennen van de prijs tot iemand van het trio Higgs, Brout en Englert is overleden. Dat zou echter een laffe oplossing zijn.
Het is de hoogste tijd om de regels voor het toekennen van de Nobelprijs voor Natuurkunde aan te passen aan de moderne tijd: sta het toe om meer dan drie mensen te belonen, en als het gaat om experimenten, sta het ook toe dat collaboraties de prijs mogen krijgen. Een experiment zoals de LHC is zo groot, en er zijn zoveel mensen bij betrokken, dat het niet meer te rechtvaardigen valt om slechts individuele medewerkers – hoe belangrijk ook – de prijs te geven. De Nobelprijs zou dan naar het instituut CERN moeten gaan én naar de drie theoretische ontdekkers van het deeltje.
Protonenergie bij botsing: 7 TeV (= 7 × 10^12 elektronvolt). Ofwel: een botsingsenergie van 14 TeV.
Aantal deeltjes in de protonenbundel: 300 × 10^12
Botsingskans van twee protonen wanneer twee bundels met kluitjes protonen op elkaar botsen: één op tien miljard
Aantal botsingen per seconde: zeshonderd miljoen
Verwachte aantal geproduceerde Higgsdeeltjes per jaar: tussen tien en honderd
Aantal rondjes dat de protonen in één seconde afleggen: 11.245 (ze bewegen vrijwel met de lichtsnelheid)
Energieverbruik: 120 miljoen watt
Totale kosten voor de bouw van de LHC: ongeveer vier miljard euro
De titanenklus
Het is half juni 2007. In een assemblagehal van het Europese versnellerinstituut CERN staat een 240 ton wegende supergeleidende magneet. Elf meter breed is het gevaarte. Het is een van de twee kurken (end-caps) op de ATLAS-detector, de grootste van de vier deeltjesdetectoren van de Large Hadron Collider (LHC). De magneet heeft net de laatste koeltest doorstaan en is nu gereed voor zijn voetje-voor-voetje-afdaling naar de deeltjesversneller, honderd meter onder de grond van Genève.
De Nederlander Herman ten Kate is sinds 1996 de baas van alle supergeleidende magneten van de ATLAS-detector. Hij is verantwoordelijk voor alles wat er nodig is om de magneten te laten werken: de supergeleidende spoelen, de koeling tot enkele graden boven het absolute nulpunt, de stroomvoorziening en het controlesysteem. “De media hebben het bijna altijd over de zoektocht naar het Higgsdeeltje, als het over de LHC gaat”, zegt hij, staande naast de end-cap. “Zelden realiseren mensen zich dat er meer dan twintig jaar aan engineering nodig is voor je de versneller überhaupt kunt aanzetten.”
De belangrijkste taak van ATLAS wordt het detecteren van muonen. Het muon is een van de elementaire deeltjes uit de natuur. Het heeft dezelfde lading als het elektron, maar is meer dan tweehonderd maal zo zwaar. Het idee is dat de detectie van vier speciale muonsporen het Higgsdeeltje verraadt. Dit deeltje is de missing link uit het Standaardmodel, momenteel het beste model dat elementaire deeltjes en krachtdragers beschrijft. Volgens de theorie zorgt het ervoor dat andere deeltjes de massa krijgen die ze hebben. Het opsporen van het Higgsdeeltje is het eerste grote doel van de versneller.
Grootste magneet ter wereld
Een lift brengt ons beneden bij de kolossale ATLAS-detector. Hoe exotischer de te detecteren deeltjes, hoe groter de detectoren. 44 meter lang is het apparaat en 22 meter breed. Metaalachtig lawaai klinkt alom, want overal zijn technici nog hard aan het werk. Veel is al af, maar juist omdat nog niet alles af is, kunnen we vrijwel alle essentiële onderdelen nog open en bloot zien liggen. Om muonen en andere geladen deeltjes te detecteren, buigen magneetvelden ze af. Speciale muonkamers meten de deeltjessporen. Uit de kromming van een baan berekenen fysici vervolgens de impuls en de lading van een deeltje.
Het supergeleidende magnetensysteem van ATLAS is het grootste ter wereld. Rondom het hart van de detector liggen acht langgerekte 0-vormige spoelen, elk 25 meter lang en vijf meter breed. Samen vormen ze een toroïde, die een ringvormig magneetveld creëert rond de detector-as. “Dat is uniek”, vertelt ten Kate, “want vrijwel alle andere magneten in de wereld maken een magneetveld dat in de lengterichting door een cilindervormige spoel loopt.”
Alle ATLAS-magneten bestaan uit supergeleidende spoelen die met helium worden gekoeld tot 4,2 graden boven het absolute nulpunt. Het opgewekte magneetveld is gemiddeld 1 tesla. Door hun afmetingen worden de krachten enorm. Op elk van de acht spoelen komt straks een kracht van vijftienhonderd ton te staan. Het beheersen hiervan was een grote uitdaging. Ten Kate: “Als de detector in de grond zit, kun je geen grote zaken meer vervangen. Daarvoor ontbreekt gewoon de tijd en het geld. Daarom moeten we alle onderdelen heel goed testen voor we ze in de detector installeren. Het is eigenlijk net als met een satelliet.”
De twee end-capmagneten zitten als kurken op de linker- en rechteruiteinden van de ATLAS-detector. Ze maken het mogelijk dat de detector ook muonen detecteert die in voorwaartse of achterwaaryse richting wegvliegen. Allebei zijn ze van Nederlandse makelij. HMA uit Ridderkerk maakte de spoelsegmenten van de magneet. Schelde-Exotech uit Vlissingen fabriceerde de twee aluminium vacuümvaten, die elk als een thermoskan de supergeleidende spoelen isoleert van de buitenwereld. Het maken van de end-caps heeft heel wat hoofdbrekens gekost. Ten Kate: “HMA zou eigenlijk ook alle spoelsegmenten bij elkaar moeten voegen tot één geheel. Maar tijdens de productie werd het bedrijf overgenomen door het generatorbedrijf Brush. Brush had weinig interesse in ATLAS en heeft uiteindelijk het contract dat wij met HMA hadden afgekocht. Toen hebben we de losse modules van HMA hier op CERN tot een geheel moeten smeden. Dat is een voorbeeld van een van de vele dingen die bij zo’n titanenklus als de LHC anders lopen dan gepland.”
Doorbranden voorkomen
Naast zijn baan bij CERN is ten Kate ook nog bijzonder hoogleraar bij de vakgroep Lage Temperaturen van de Universiteit Twente, gespecialiseerd in supergeleiders. Op grond van die expertise werd hij ook door CERN gevraagd voor de magnetenklus.
“Voor ATLAS hebben we een speciale truc moeten uithalen met de supergeleidende kabels”, vertelt ten Kate. “Standaard gebruikt men een draad bestaande uit vele duizenden supergeleidende niobiumtitaniumdraadjes die gerangschikt zijn in een soort van achthoekige bundeltjes. Het geheel is ingebed in koper. Maar speciaal voor ATLAS hebben we de buitenkant van de kabel van een laag aluminium voorzien. Dat is voor de beveiliging. Stel dat er iets mis gaat met de koeling, en het niobiumtitaan ineens boven de kritieke supergeleidende temperatuur komt. Dan neemt de elektrische weerstand ineens enorm toe. Boven de kritieke temperatuur is niobiumtitaan namelijk een slechte geleider. Zowel het koper als het aluminium moet de elektrische stroom dan toch kunnen afvoeren. Als we geen extra aluminium zouden aanbrengen, zouden de kabels binnen enkele milliseconden doorbranden.”
De supergeleidende magneten die vlak voor het botsingspunt in ATLAS de deeltjesbundel sterk samenknijpen, gaan naar verwachting zo’n zes tot acht jaar mee. Tegen die tijd zijn ze kapotgeschoten door de radioactieve deeltjes die bij de botsingen vrijkomen. De kabels zijn dan zo ver gedegradeerd dat ze hun supergeleidende eigenschap grotendeels hebben verloren. Omdat de LHC zo’n vijftien jaar moet draaien, moeten die magneten dus ergens in de tussentijd worden vervangen.
Ten Kate: “Er staat nu al een LHC-upgrade gepland ergens tussen 2016 en 2018. Die upgrade is in eerste instantie bedoeld om meer botsingen per seconde te gaan maken. Dat gaan we doen door met nog sterkere magneten de deeltjesbundels nog meer samen te knijpen voor ze in de detectoren op elkaar botsen. En misschien dat we daarbij al een nieuw type supergeleidende kabel kunnen gebruiken. We werken namelijk aan kabels gemaakt van niobium-3-tin in plaats van niobiumtitaan. Daar kun je sterkere magneetvelden mee halen, maar het materiaal is lastiger te hanteren, waardoor de technologie wel duurder wordt.”
Wat gaat de ATLAS-magnetenbaas doen als de detector af is? “Het eerste jaar zijn er vast nog wel technische problemen die we moeten oplossen, maar daarna is het alleen nog maar wat onderhoud en reparaties hier en daar. Dan wordt het een routineklus, en ga ik weer wat anders doen. Zo’n gigantisch project als de LHC maak je maar een keer in je leven mee.”
Muondetectie
Rondom de acht langgerekte 0-vormige ATLAS-magneten, liggen de muondetectiekamers. Elke kamer bestaat uit vijfhonderd tot zevenhonderd muondetectiebuizen. Het Nikhef in Amsterdam – het nationale instituut voor subatomaire fysica – heeft veertigduizend van de in totaal driehonderdduizend muondetectiebuizen van ATLAS gemaakt. Projectleider van de Nederlandse buizen is Gerjan Bobbink. Staande voor de ATLAS-detector wijst hij op de al geplaatste detectiekamers: “De kamers die wij hebben gemaakt zijn vijf meter lang en 2,2 meter breed. Onder de zwaartekracht buigen ze een beetje door. Dat compenseren we door met speciale schroeven extra te trekken aan de detectiebuizen tot ze recht lopen.”
De muondetectiekamers zitten tussen de vijf en elf meter van de botsende bundels vandaan. Naast het Nederlandse instituut hebben ook Duitse, Italiaanse, Russische, Griekse en Franse collaboraties muondetectiekamers gebouwd. De stickers van de makers plakken er nog op. Afhankelijk van waar in de detector ze worden geplaatst, hebben ze een andere lengte.
De deeltjes die door de muonkamers schieten, zijn ofwel neutrino’s, die zo weinig massa hebben dat ze vrijwel overal doorheen vliegen, ofwel hoogenergetische muonen, die zo ver komen omdat ze zo zwaar zijn. Als de kamers een muon detecteren, wordt dat signaal gebruikt om orde te scheppen in de enorme hoeveelheid deeltjes die vlakbij het botsingspunt rondvliegen. Het muonspoor kan namelijk doorgetrokken worden naar het botsingspunt. Zo weten fysici snel welke deeltjessporen interessant zijn om op te slaan en welke deeltjessporen ze meteen kunnen weggooien. Vlakbij het botsingspunt worden alle geladen deeltjes gedetecteerd. Maar een groot deel hiervan is fysisch niet interessant, en dus is het slim om snel het kaf van het koren te scheiden.
Bobbink: “We kunnen vrijwel real-time zeggen of een spoor afkomstig is van een muon of niet. En honderd maal per seconde slaan we de data op. We kunnen ook de minimale muonenergie instellen die we willen detecteren. Muonen met een lagere energie slaan we niet op, omdat we die oninteressant vinden.”
Het Nikhef maakte buizen van vijf meter lengte, met in het midden een draad van vijftig micrometer dikte. Het principe van zo’n detectiebuis is eenvoudig. In elke buis zit een gas op hoge druk (argon-koolstofdioxide). Als er een geladen deeltje door de buis schiet, wordt het gas geïoniseerd. De draad in de buis staat onder een elektrische spanning van 3080 volt. De geïoniseerde atomen bewegen naar de draad en veroorzaken zo een elektrisch signaal. Uit de drifttijd bepalen fysici op welke afstand van de draad het muon binnenkwam. Een tweede detectorsysteem meet de positie langs de draad. Uit die twee gegevens volgt de positie van één punt op het muonspoor. Het hele muonspoor volgt dan uit een reeks gemeten posities.
Een jaar zoeken naar misschien tien Higgsdeeltjes
“De grootste uitdaging voor ons is de plaatsnauwkeurigheid”, zegt Bobbink. “We moeten de plaats van de muonen op twintig micrometer precies kunnen bepalen. Daarvoor moeten we dus precies weten waar de draad in de detectiebuis zit. Als de temperatuur schommelt, wordt de draad al snel iets langer of korter. Daar moeten we rekening mee houden. We proberen de temperatuur zo goed mogelijk constant te houden. Daarnaast zit op elke kamer een twintigtal temperatuursensoren.”
Tussen 2001 en 2005 zijn de Nikhef-buizen een voor een gemaakt in een cleanroom van het Amsterdamse instituut. De detectiebuizen moeten het hele LHC-leven meegaan, en dus zijn ze allemaal aan strenge tests onderworpen. In Amsterdam zijn alle buizen getest met kosmische straling, waarin ook hoogenergetische muonen zitten. Na transport naar Genève zijn ze nogmaals getest. “Tijdens die test bleek dat er maar tien op de veertigduizend buizen het niet deden”, zegt Bobbink. “Maar dat is geen ramp. De muonkamers zijn overbepaald. Een enkel spoor wordt door een stuk of twintig buizen gemeten. Dan mag er best eentje stuk zijn.”
Een eveneens door het Nederlandse instituut ontworpen optisch uitlijnsysteem meet met infrarood licht continu de precieze positie van elke detectiekamer. “Als er ergens een afwijking wordt gemeten, kan dat meteen worden bijgeregeld”, zegt Nikhef-directeur Frank Linde. “De bouw van de LHC is een en al check-check-dubbelcheck. Overal in de LHC moet je grenzen verleggen om tussen de miljarden botsingen in een jaar de natuurkundig interessante eruit te pikken. In een jaar tijd meten we misschien maar tien tot honderd Higgsdeeltjes. Een speld in een hooiberg is er niks bij. Eigenlijk zoeken we met de LHC in een heleboel hooibergen naar één speld.”
1500 kilometer glasvezelkabels
Zowel het aansturen van de versnellermagneten en de detectoren, als het verzamelen van de meetgegevens gebeurt via glasvezelkabels. Dit netwerk is grotendeels aangelegd door het Nederlandse bedrijf Draka.
“Alleen al in de tunnel hebben we zo’n vijftienhonderd kilometer glasvezelkabels aangelegd”, zegt Draka-verkoopmanager Erik Bresser aan de telefoon. “Glasvezels aanleggen voor de LHC is wel wat anders dan glasvezels aanleggen voor de telecommunicatie in Nederland. Er werken veel verschillende bedrijven tegelijk in de tunnel. Er zijn tunnelsecties waar je straks door de straling niet meer bij kunt. En je komt continu onverwachte dingen tegen, zoals het overbruggen van een grotere afstand dan gepland.”
Rond 1997 ontwikkelde Draka als eerste een nieuwe installatietechnologie: JetNet. Met deze techniek wordt een minikabel die een aantal glasvezels bevat onder hoge druk in een minibuis geblazen. “Als een vliegend tapijt zweeft de kabel de minibuis in”, vertelt Bresser. “Deze techniek is daarna in heel Europa overgenomen. Het grote voordeel is dat je het glasvezelnetwerk in stappen kunt aanleggen. Zo hoeft een bedrijf niet alle investeringen in een keer te doen. Je kunt eerst de buizen aanleggen, en pas als je de glasvezels nodig hebt, blaas je deze erin. Ook kun je later extra kabels bijblazen, als je de buitenbuis breed genoeg maakt. De blaasapparatuur hebben we zelf verder ontwikkeld, bijvoorbeeld door het toevoegen van een kabelsmeereenheid. De truc is om over een zo groot mogelijke afstand, en zo snel mogelijk, de kabel in de buitenbuis te blazen.”
Hoofdverantwoordelijke voor de optische bekabeling van CERN is de Nederlander Luit Koert de Jonge, die al meer dan dertig jaar voor het Europese versnellerinstituut werkt. Hij legde eind 2002 een test voor aan de vijf bedrijven die wilden meedingen naar de opdracht voor het glasvezelnetwerk: “Ze moesten over een afstand van 2,5 kilometer de minikabel in een keer in de minibuis blazen met een minimum snelheid van dertig meter per minuut. Draka kon dat verreweg het beste, en was bovendien het goedkoopste. Meestal gaat dat niet samen, maar hier wel.”
Een compressor blaast met lucht onder een druk van zestien atmosfeer de als minikabel gebundelde glasvezels de minibuis in. Inmiddels is Draka er zelfs in geslaagd om de minikabel over een afstand van 3,5 kilometer in een keer te blazen – een record. De Jonge: “Dat lukte omdat de blaastechniek verder is verbeterd door een speciaal soort smerende microfilm aan de binnenkant van de minibuis aan te brengen. Normaal raakt de minikabel de minibuis bij het inblazen slechts licht. Maar het smeermiddel zorgt ervoor dat de wrijving nog eens flink wordt verlaagd. De smerende film kan zelfs tegelijk met de minikabel mee worden geblazen.”
De Jonge neemt me mee de LHC-tunnelbuis in, en laat zien waar de glasvezelkabels overal de tunnel binnenkomen om de bundelinstrumentatie aan te sturen. Langzaam maar zeker raakt de tunnelbuis voller en voller met apparatuur. “Voor ons had de tunnelbuis inderdaad wel breder mogen zijn”, zegt hij. “Maar ja, dan was de LHC nog duurder geworden.”
We wandelen langs de blauwe supergeleidende versnellermagneten die de protonen afbuigen. Alle 1232 van dit soort magneten zijn inmiddels in de 27 kilometer lange tunnelbuis geplaatst. Elke vijftien meter lange magneet is een paar millimeter gekromd, om mee te buigen met de versnellertunnel. Die kromming is met het blote oog net te zien. Langs de binnenwand van de tunnel loopt een enkele centimeters dikke kabel, speciaal aangelegd om het mobiele telefoonverkeer in de tunnelbuis mogelijk te maken. Af en toe fietsen technici langs, of passeert een elektrisch karretje. Binnen een half uur hoor ik Engels, Frans, Spaans, Pools en Duits.
Stralingsbestendige glasvezel
Een punt van zorg was het effect van de radioactieve straling die de versneller produceert op de glasvezels. Om dat te onderzoeken, liet CERN speciale stralingstests uitvoeren van alle materialen. “De gewone Draka-vezel was al vrij goed”, zegt de Jonge, “en die hebben we ook veel gebruikt. Maar dichtbij de bundelpijpen loopt de straling zo hoog op dat de gewone glasvezel bij de test helemaal zwart werd. Voor die stukken hadden we in totaal ongeveer 1700 kilometer glasvezel nodig die deze straling wel zou aankunnen. Zowel Draka als andere fabrikanten hebben geprobeerd een vezel te maken die dat aankon. Uiteindelijk slaagde het Japanse bedrijf Fujikura daar als beste in. Draka verwerkte die glasvezels vervolgens in de minikabels.”
Als de lift ons weer naar de bovenwereld brengt, laat de Jonge me tenslotte nog zien wat voor een grote hoeveelheid aan glasvezelkabels er aankomt in het bovengrondse controlehart van CERN. Rekken vol met optische connectoren waaruit glasvezelkabels steken. Overal knipperende lichtjes van netwerkapparatuur. Elke vezel die hier aankomt, is individueel doorgemeten en goedgekeurd. Aan elke vezel hangt een label waarop staat waar hij naar toe gaat. Als de versneller straks op volle toeren draait, verwerkt het controlehart per seconde een hoeveelheid informatie die overeenkomt met die van het volledige Europese telecomnetwerk.
Het moment waarop de versneller voor het eerst wordt aangezet, stond in eerste instantie gepland voor eind 2007. Maar dat is onhaalbaar. In maart knalde een speciale versnellermagneet tijdens een test uit elkaar: ongelukkigerwijs net een magneet die werd gemaakt door het concurrerende Amerikaanse Fermilab. Alle zestien soortgelijke magneten moesten daarna versterkt worden. Daarnaast duren ook veel andere werkzaamheden langer dan gepland. Zo ook het koelen van de versneller. De versneller is verdeeld in acht taartpunten, die een voor een worden gekoeld tot 1,9 kelvin. Nooit eerder werd er in de wereld over zulke afstanden gekoeld tot een paar graden boven het absolute nulpunt.
Volgens de nieuwe planning moeten de eerste protonen in mei 2008 botsen. Dat zal in ieder geval bij een veel lagere energie zijn dan de maximale energie van zeven tera-elektronvolt – de energie waarbij de machine uiteindelijk de interessante fysische experimenten gaat uitvoeren. Niemand verwacht dat de LHC dan ook meteen vlekkeloos functioneert. Daarvoor is de machine veel te gecompliceerd. Het zal maanden duren eer de versneller een voldoende krachtige bundel produceert, en eer de detectoren voldoende fijngeregeld zijn om te beginnen met de eerste serieuze fysische experimenten. Dat zal best wel eens in 2009 kunnen worden.
En áls het Higgsdeeltje opduikt uit de experimenten, dan zal dat niet eerder zijn dan na een jaar of drie experimenteren. Dan pas kan er voldoende statistiek verzameld zijn om een keiharde conclusie te trekken. De meeste hoge-energiefysici verwachten echter dat het deeltje wordt gevonden. Pas echt spannend wordt het als de LHC ook volslagen onverwachte natuurkunde tevoorschijn tovert.
[kader 1:]
Oerplasma en antimaterie
Nederland draagt bij aan drie van de vier LHC-detectoren. De grootste bijdrage zit in de ATLAS-detector, tevens de grootste van de vier detectoren. Aan ATLAS werken ongeveer 1800 onderzoekers uit meer dan dertig landen. ATLAS is een soort multifunctionele detector die deeltjes van allerlei soorten en maten kan opsporen. Toch kijken fysici voornamelijk uit naar de zoektocht naar het Higgsdeeltje. Verder hopen ze natuurlijk ook onverwachte dingen te ontdekken.
Daarnaast werkt Nederland mee aan het experiment met de ALICE-detector. ALICE gaat een bijzondere materietoestand onderzoeken, die heerste toen het heelal ongeveer tien microseconden oud was. De bouwstenen van atomen – protonen en neutronen – bestonden toen nog niet. Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit quarks, en die quarks worden bij elkaar gehouden door een soort van lijmdeeltjes: gluonen. Volgens de theorie vlogen vlak na de geboorte van het heelal quarks en gluonen vrij rond in een soort van soep die quarkgluonplasma heet. ALICE gaat deze plasmatoestand onderzoeken.
Waarschijnlijk bestaat deze toestand nog steeds in het binnenste van zeer dichte neutronensterren. Daar is de druk namelijk zo hoog dat protonen en neutronen niet meer kunnen bestaan, maar opgelost zijn tot een quarkgluonplasma.
ALICE kan een quark-gluonplasma maken door zware loodionen met hoge snelheid op elkaar te laten botsen. Voor dit experiment slingert de LHC dus geen protonen rond, maar loodionen. Kortstondig ontstaat vervolgens een quarkgluonsoepje dat echter snel afkoelt en condenseert tot gewone materie. ALICE bestaat uit verschillende componenten die elk karakteristieke eigenschappen van het quarkgluonplasma zullen meten. Aan deze detector werken zo’n duizend onderzoekers uit dertig landen. De kunst van ALICE is om tegelijkertijd de duizenden deeltjes te meten die ontstaan wanneer het quark-gluonplasma vlak na het ontstaan weer condenseert tot gewone materie.
De derde detector waaraan Nederland meedoet, is de LHCb-detector. LHCb gaat het raadsel van de antimaterie onderzoeken. Volgens de gangbare theorie ontstond uit een gigantische hoeveelheid energie na de geboorte van het heelal evenveel materie als antimaterie. Maar inmiddels bestaat het heelal voor het overgrote deel uit materie.
Waarom is die antimaterie verdwenen? Dat gaat LHCb uitzoeken via exotische deeltjes die b-mesonen heten. Tijdens de proton-protonbotsingen in de LHC-versneller worden b-mesonen geproduceerd, die bestaan uit twee quarks. Deze vervallen snel in andere deeltjes. Verschillende detectoronderdelen volgen de deeltjes en identificeren hun eigenschappen. Uiteindelijk hoopt men via nauwkeurige meting van de vervalswijzen van b-mesonen de bron te vinden van de asymmetrie tussen materie en antimaterie. Aan LHCb werken bijna zeshonderd onderzoekers uit vijftien landen.
Alleen aan CMS, de vierde LHC-detector, doet Nederland niet mee. CMS (Compact Muon Solenoid) kan in feite hetzelfde als ATLAS. Ook deze detector gaat zoeken naar het Higgsdeeltje, maar kent een ander, compacter ontwerp. Op sommige aspecten is ATLAS beter, op andere CMS.
[kader 2:]
Datavloedgolf beteugelen
Als de LHC straks op volle toeren draait, produceren de vier detectoren jaarlijks een in de wereld ongeëvenaarde hoeveelheid gegevens: in de grootteorde van tien petabytes per jaar, ofwel tien miljoen gigabytes. Dat zijn ongeveer drie miljoen volgeschreven dvd’s.
Om te kijken of er interessante nieuwe fysische verschijnselen zijn opgetreden tijdens de deeltjesbotsingen, moeten de data worden geanalyseerd. Die rekenklus wordt niet langer meer alleen op CERN geklaard, maar over de wereld verdeeld via een netwerk van aan elkaar gekoppelde computercentra: het LHC-Computing Grid, ofwel LCG.
CERN zelf is het centrale LCG-knooppunt – Tier 0 geheten (Rang 0) – waar alle data van de vier detectoren het eerst binnenkomen en ook in hun geheel worden opgeslagen. Vanuit CERN worden de data vrijwel real-time verdeeld over elf grote dataopslag- en rekencentra (Tier 1). Nederland krijgt via Nikhef en SARA in Amsterdam ongeveer tien procent van alle data. Nikhef en SARA werken samen als één enkele Tier-1.
De rest van de data wordt verdeeld over tien andere Tier-1-centra: het Forschungszentrum Karlsruhe (Duitsland), het IN2P3 Centre de Calcul in Lyon (Frankrijk), het CNAF in Bologna (Italië), het Rutherford Appleton Laboratory in Chilton (Engeland), het PIC in Barcelona (Spanje), de Nordic Data Grid Facility in Kopenhagen (Denemarken), het Brookhaven National Laboratory (bij New York, VS), het Fermi National Accelerator Laboratory (bij Chicago, VS), het TRIUMF in Vancouver (Canada), en het ASGC in Taipei (Taiwan). De Tier-1-centra slaan elk een deel van de data op, als een back-up van de CERN-dataopslag, en hebben ook een grote rekencapaciteit voor het analyseren van de ruwe gegevens.
Vanuit deze Tier-1-centra gaat een deel van de gegevens naar Tier-2-centra, die vaak in de regio liggen van de Tier-1-centra. Tier-2-centra hebben typisch tot enkele tientallen terabytes aan dataopslagcapaciteit. En ten slotte gaat weer een deel daarvan naar Tier-3-centra: voornamelijk afdelingen van universiteiten. Hier worden geen gegevens opgeslagen, maar alleen berekeningen op de data uitgevoerd. In totaal zullen wereldwijd meer dan tweehonderd computercentra meedoen aan LCG.
De Nederlander Maarten Litmaath werkt op CERN als computerdeskundige aan de gridstructuur: “Geleidelijk breiden we het net uit en maken we het betrouwbaarder en gemakkelijker. We hebben bijvoorbeeld programmatuur gemaakt die functioneert als een soort van informatiemakelaar. Deze zoekt uit in welk computercentrum bepaalde data het best kunnen worden geanalyseerd. Bijvoorbeeld waar de wachtlijst het kortste is, of waar het grootste deel van de data een kopie in de buurt heeft, zodat er zo min mogelijk hoeft te worden gekopieerd van elders.” Uiteindelijk heeft het LCG wereldwijd ongeveer honderdduizend CPU’s nodig. Op dit moment is het grid gekoppeld aan ongeveer dertigduizend CPU’s; typisch 3-gigahertz pentium-4-processoren.
Litmaath: “In 2006 hebben we een paar records gehaald. Vanuit CERN hebben we toen 24 uur achter elkaar gegevens naar de elf Tier-1-centra gestuurd met een constante snelheid van 1,6 gigabytes per seconde in totaal. En over een periode van tien dagen haalden we minstens 1,2 gigabytes per seconde. Onze belangrijkste taken zijn nu om nog meer CPU’s met het grid te verbinden, en vooral ook om het grid stabiel te laten werken over een lange tijd. En als we hebben aangetoond dat we gedurende een paar jaar met honderdduizend CPU’s kunnen werken, dan willen we dat aantal nog eens tienmaal zo groot maken. Eigenlijk komen we altijd opslagruimte en rekenkracht tekort.”
Behalve de technische realisatie van de gridstructuur is het beveiligen van het grid tegen inbrekers van buiten een belangrijke uitdaging. Want hoe meer computers er aan elkaar worden gekoppeld, hoe meer wegen om op het netwerk in te breken.
[kader 3:]
Wie moet straks de Nobelprijs krijgen?
Nobelprijzen zijn dikwijls aanleiding geweest voor grote ruzies als mensen zich gepasseerd voelden, en ook voor het lang uitstellen van de prijs omdat het Nobelcomité de beslissing te moeilijk vond. Wie de Nobelprijs voor Natuurkunde zou moeten krijgen als het Higgsdeeltje in de versneller opduikt, is ook lastiger dan op het eerste gezicht lijkt.
“In ieder geval voor Peter Higgs”, zegt Nikhef-directeur Frank Linde. “Hij heeft het deeltje voorspeld. Volgens mij is dat ook het enige deeltje dat naar een mens is vernoemd.”
En dat heeft meteen een groot nadeel opgeleverd. Omdat het deeltje naar de Britse natuurkundige Peter Higgs is vernoemd, is hij automatisch degene die altijd wordt genoemd als het gaat over de voorspelling van het deeltje. Onterecht. Want de twee Belgen Robert Brout en François Englert van de Vrije Universiteit Brussel zijn de medeontdekkers. Linde: “Brout en Englert zijn nogal in de vergetelheid geraakt, omdat lange tijd alleen maar de naam van Peter Higgs werd genoemd, als het over het Higgsdeeltje ging. Dat ligt trouwens niet aan Peter Higgs, want hij is de bescheidenheid zelf. Als de LHC het deeltje vindt, dan zouden Brout en Englert moeten delen in de Nobelprijs. Zij hebben samen, in dezelfde uitgave van hetzelfde tijdschrift in 1964, hetzelfde mechanisme voorspeld als Peter Higgs. En ze deden dat onafhankelijk van elkaar.”
In zijn boek Feiten en mysteries in de deeltjesfysica schrijft de Nederlandse Nobelprijswinnaar Martinus Veltman: “Ik voel me een beetje schuldig betreffende Brout en Englert, want in 1971 hoorde ik over het werk van Higgs, maar pas later over hun werk. Daarom citeerde ik ze aanvankelijk niet. Dat is een van de redenen dat ze niet zo bekend werden als Higgs. In 1997 kregen ze volledige erkenning, toen ze samen met Higgs de prijs voor Hoge-energie- en Deeltjesfysica van de European Physical Society kregen.”
Omdat de Nobelprijs maar aan maximaal drie personen kan worden toegekend, zou CERN dan buiten de boot vallen. “Dat zou ook vreemd zijn”, zegt Linde, “want zonder versneller kun je het Higgsdeeltje niet ontdekken. Dan zou de prijs naar CERN als collaboratie moeten gaan, en niet naar individuele personen. Of, één persoon van CERN zou de prijs in ontvangst moeten nemen namens de collaboratie.”
Maar dan zijn er vier personen, in plaats van drie, en dat mag niet volgens de spelregels van de Nobelprijs. Misschien dat er dan wel wordt gewacht met het toekennen van de prijs tot iemand van het trio Higgs, Brout en Englert is overleden. Dat zou echter een laffe oplossing zijn.
Het is de hoogste tijd om de regels voor het toekennen van de Nobelprijs voor Natuurkunde aan te passen aan de moderne tijd: sta het toe om meer dan drie mensen te belonen, en als het gaat om experimenten, sta het ook toe dat collaboraties de prijs mogen krijgen. Een experiment zoals de LHC is zo groot, en er zijn zoveel mensen bij betrokken, dat het niet meer te rechtvaardigen valt om slechts individuele medewerkers – hoe belangrijk ook – de prijs te geven. De Nobelprijs zou dan naar het instituut CERN moeten gaan én naar de drie theoretische ontdekkers van het deeltje.
Naschrift (4 juli 2012): Robert Brout overleed in 2011. Dat maakt de keuze door het Nobelcomité eenvoudiger, hoe spijtig ook voor Robert Brout.
Internetbronnen
LHC-homepage:
NIKHEF:
Het ATLAS-magnetensysteem:
Over LHC Computing Grid (LCG):
Sunday, July 1, 2012
Zo leert Google’s visuele brein kijken
Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van zaterdag 30 juni 2012
Ja, dat kan, zo hebben onderzoekers van de Universiteit van Stanford en van Google aangetoond. Een kunstmatige visueel brein blijkt automatisch visuele concepten te ontwikkelen van een menselijk gezicht, een menselijk lichaam, maar ook − tot verrassing van de onderzoekers − van het gezicht van een kat. De onderzoekers publiceerden hun onderzoeksresultaten afgelopen week op een internationale conferentie over machinaal leren in het Schotse Edinburgh.
Kennelijk zetten YouTube-gebruikers zoveel filmpjes van katten online dat het kunstmatige visuele brein ze vanzelf gaat herkennen. Een kunstmatig visueel brein dat uit zichzelf leert om voorwerpen te herkennen is een belangrijke stap vooruit in de automatische beeldherkenning. Tot voor kort moest een kunstmatig visueel brein eerst getraind worden met voorbeelden van grote aantallen katten voordat het op een nieuwe foto een kat kon herkennen. Google’s systeem had van te voren nog nooit een kat gezien.
De onderzoekers gebruikten duizend computers met in totaal zestienduizend processoren en toverden dit om in één enkel neuraal netwerk met een miljard verbindingen. Drie dagen lang kreeg dit kunstmatige visuele brein beelden voorgeschoteld van elk tweehonderd bij tweehonderd pixels. De visuele concepten van het menselijke gezicht en dat van een kat zien er enigszins droomachtig uit, maar het is een hele prestatie. Van de computeranalyse van beeld, schrift, geluid en spraak is een computeranalyse van beeld verreweg het moeilijkst. En dat komt omdat expliciete regels voor beeldherkenning ontbreken.
Google’s kunstmatige visuele brein bleek ook in staat om met een nauwkeurigheid van 15,8% voorwerpen te herkennen uit een verzameling van twintigduizend voorwerpen. Dat is bijna tweemaal zo goed dan het record tot nu toe. Het doel van Google is om dit soort zelflerende patroonherkennende systemen te gebruiken voor het verbeteren van beeld- en spraakherkenning en automatische vertaling.
Subscribe to:
Posts (Atom)