Elementaire deeltjes en het CERN 13 juni 2020 We are just an advanced breed of monkeys on a minor planet of a very average star. But we can understand the Universe. That makes us something very special.–Stephen Hawking De mensheid is altijd zeer geïnteresseerd geweest in de fundamentele bouwstenen van alledaagse materie. Zo dachten de oude Grieken reeds dat materie uit een eindig aantal onsplitsbare deeltjes bestond. Zij hadden echter nog geen gespecialiseerde detectoren ter beschikking, waardoor hun ideeën eerder voortkwamen uit metafysische redenering en niet uit empirische bewijzen. In de 19de eeuw stelde John Dalton een theorie voor waarin alle elementen bestonden uit fundamentele deeltjes: atomen. Deze benaming vindt zijn origine in het Oudgriekse woord (atomos), wat “niet deelbaar” betekent. Fermionen en elementaire interacties Een eerste grote doorbraak vond plaats in 1897, toen Thomson het elektron ontdekte. Aangezien dit elektron ongeveer 1800 keer kleiner was dan de toenmalig gekende atomen, moest de theorie dat atomen onsplitsbaar zijn overboord gegooid worden. Tegenwoordig weten we dat een atoom bestaat uit een nucleus met daarrond een elektronenwolk. Het elektron is een fundamenteel onsplitsbaar deeltje met een negatieve elektrische lading. De nucleus daarentegen bestaat uit andere deeltjes: positief geladen protonen en neutrale neutronen. Met een massa van ongeveer 2000 keer de massa van een elektron zijn deze deeltjes ook veel zwaarder. Elektronen worden rond de kern gehouden door een fundamentele interactie: de elektromagnetische kracht, die gelijk geladen deeltjes van elkaar afstoot en deeltjes met een tegengestelde lading tot elkaar aantrekt. Maar als gelijk geladen deeltjes elkaar afstoten, hoe kan het dan dat meerdere positief geladen protonen in dezelfde kern gebonden zitten? Het antwoord op deze vraag is de sterke kernkracht, die de elektromagnetische afstoting tussen de protonen onderling zal overwinnen om een gebonden nucleus te vormen, bestaande uit protonen en neutronen. Protonen en neutronen zijn echter geen fundamentele deeltjes: ze bestaan uit quarks. Een proton bestaat uit twee “up” quarks en één “down” quark, terwijl een neutron uit één up quark en twee down quarks bestaat. In totaal bestaan er zes verschillende quarks, die wél fundamentele deeltjes zijn. Tot nu toe kennen we dus al zeven fundamentele deeltjes: het elektron en zes quarks. Het elektron () heeft echter nog twee grotere broers: het muon () en het tau deeltje (). Ze hebben exact dezelfde eigenschappen als het elektron, buiten hun massa: ze zijn een stuk zwaarder dan het elektron. Elk van deze drie deeltjes heeft een elektrisch neutrale partner, een neutrino. Tot op heden zijn de massa’s van deze neutrino’s niet gekend, we weten alleen dat ze enorm licht zijn (maar niet gewichtloos). Het elektron, muon en tau deeltje vormen samen met hun bijhorende neutrino’s de leptonen.De leptonen worden op hun beurt samen met de quarks gegroepeerd als fermionen, zo genoemd omdat al deze deeltjes onderhevig zijn aan de Fermi-Dirac statistiek. Elk fermion heeft ook een antideeltje. Deze antideeltjes hebben exact dezelfde eigenschappen als de “normale” deeltjes, behalve hun elektrische lading. Die is namelijk omgekeerd. De deeltjes van het standaardmodel. Tot nu toe hebben we twee fundamentele interacties besproken: de sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht. Er zijn echter nog twee andere fundamentele interacties, namelijk de zwaartekracht en de zwakke kernkracht. De sterke kernkracht is, zoals de naam reeds doet vermoeden, de sterkste van deze interacties. Daarna volgen de elektromagnetische interactie en de zwakke kernkracht, respectievelijk ongeveer twee en zeven grootteordes zwakker dan de sterke kernkracht. In subatomaire fysica is het effect van de zwaartekracht te verwaarlozen, aangezien deze ongeveer 38 (!) grootteordes zwakker is dan de sterke kernkracht. Op macroscopische schaal daarentegen, bijvoorbeeld ons zonnestelsel, is de zwaartekracht enorm belangrijk. De zwakke kernkracht is vooral bekend door zijn rol in radioactief -verval, waarbij een neutron omgevormd wordt in een proton en daardoor een elektron en elektron-neutrino uitstraalt. Bosonen Nu we de vier fundamentele interacties en de fermionen hebben besproken, kunnen we overgaan naar de laatste groep van elementaire deeltjes: de bosonen. Deze groep deeltjes wordt zo genoemd omdat ze onderhevig zijn aan de Bose-Einstein statistiek. Binnen de groep van fundamentele bosonen maken we een onderscheid tussen ijkbosonen en het Higgs-boson. De ijkbosonen zijn verantwoordelijk voor het dragen van de fundamentele interacties: het massaloze foton draagt de elektromagnetische kracht, terwijl de zwakke kernkracht gedragen wordt door de massieve en bosonen. De sterke kernkracht wordt gedragen door massaloze gluonen, waarvan er acht verschillende soorten zijn. Maar wat met de zwaartekracht? Voor deze interactie is er tot op heden nog geen krachtdragend boson geobserveerd, maar het bestaan van het graviton als krachtdrager van de zwaartekracht is wel gepostuleerd. Het Higgs boson is een buitenbeentje onder de fundamentele bosonen, aangezien het geen drager is van een fundamentele interactie. Via het Brout-Englert-Higgs mechanisme is het Higgs boson verantwoordelijk voor het massief zijn van de meeste fundamentele deeltjes. Met zijn ontdekking in 2012 aan het CERN is het Higgs boson tot nu toe het meest recent ontdekte fundamentele deeltje. In 2013 ontving Peter Higgs samen met Belgisch fysicus François Englert de Nobelprijs in de fysica voor hun ontdekking van het Brout-Englert-Higgs mechanisme. De andere Belgische fysicus die meegewerkt had aan de ontdekking van dit mechanisme, Robert Brout, was toen helaas reeds overleden. Hij ontving de Nobelprijs niet aangezien deze normaliter niet postuum wordt uitgereikt. Links: Foto van de CMS detector tijdens onderhoud. Rechts: Een typisch event waargenomen door de CMS detector. In dit event vervalt een Higgs boson naar twee leptonen. Het standaardmodel Al deze fermionen en bosonen, samen met alle fundamentele interacties behalve de zwaartekracht, worden beschreven in een wiskundige theorie genaamd het standaardmodel van de deeltjesfysica (SM). Het SM is een enorm succesvolle theorie, maar faalt toch bij de beschrijving van sommige fenomenen. Er is een groot aanbod aan theorieën die deze onregelmatigheden trachten op te lossen, tot op heden zonder succes. Voorgestelde theorieën moeten uiteraard experimenteel getest worden. We kunnen deze theorieën testen met behulp van de Large Hadron Collider (LHC). De LHC bestaat uit een ring met een omtrek van 27 km, die zich gemiddeld zo’n 100 meter onder de grond bevindt. In de LHC vinden er elke seconde ongeveer 40 miljoen botsingen plaats tussen protonen, die zullen interageren met elkaar en zo andere deeltjes maken. Op deze ring bevinden zich vier detectoren die de geproduceerde deeltjes zullen waarnemen. Mijn thesis Eén van deze detectoren is de Compact Muon Solenoid (CMS). Mijn thesis maakt gebruik van data verzameld door de CMS detector in 2018. Aan de hand van deze data trachtte ik de koppeling van het zwaarste deeltje in het SM, de top quark, met het Z boson te bestuderen. Aangezien de top quark het zwaarste deeltje in het SM is, is het een heel erg interessant deeltje: veel theorieën die buiten het SM liggen zouden deeltjes bevatten die een grote koppeling met de top quark hebben. Door de top quark beter te begrijpen, kunnen deze nieuwe theorieën soms uitgesloten worden, of tot een bepaald geldigheidsinterval gelimiteerd worden. Om deze reden wordt de top quark wel eens als “een portaal naar nieuwe theorieën die voorbij het standaardmodel gaan” gezien. Steven Mortier Student Master of Science in de Fysica \& Sterrenkunde Promotor: Prof. Dr. Didar Dobur Begeleider: Dr. Marek Niedziela Exploring top-quark and Z boson coupling in top pair production in association with a Z boson. Bronnen: Nobelprijs in de fysica 2013 Afbeelding deeltjes in het standaardmodel. Foto van de CMS detector CMS Collaboration and Thomas McCauley. CMS Higgs Search in 2011 and 2012 data: candidate tau-tau event (8 TeV). CMS Collection., Dec 2013.