Aalto University promovendus Juska Pekkanen maakt deel uit van een groep die werkt met de hoogste botsingsenergieën die ooit zijn bereikt.

Het werk in het CERN-onderzoekscentrum in Zwitserland werd algemeen bekend toen de Nobelprijswinnende ontdekking van het Higgs-deeltje in 2013 het standaardmodel van de deeltjesfysica voltooide. Wat Pekkanen en duizenden andere natuurkundigen bij CERN nu doen, is het onderzoeken van verschijnselen die buiten het huidige begrip van de subatomaire wereld vallen.

Bijvoorbeeld, slechts 15 procent van de massa van het hele universum kan nu worden verklaard met normale zichtbare materie, de rest is donkere materie waar weinig kennis van is. Een even gehuld mysterie is donkere energie die het heelal doet uitdijen en hemellichamen van elkaar wegduwt.

"Omdat deze en vele andere onbeantwoorde vragen nog steeds bestaan, we moeten proberen ze aan te pakken en fenomenen te begrijpen die geen verklaring hebben in de huidige natuurkunde, ' zegt Pekkanen.

Een manier om dit te doen, is om protonen – de kernen van waterstofatomen – te laten botsen met enorm hoge snelheden en energieën, en bestudeer wat er uit de crashes komt. Pekkanen en zijn collega's hebben zich gericht op deeltjesuitbarstingen die 'jets' worden genoemd en die worden geboren wanneer protonen botsen. Deze gebeurtenissen kunnen vage tekenen van volledig nieuwe deeltjes bevatten.

Autopsies voor miljoenen deeltjesuitbarstingen

De studie van jets op deeltjesniveau is een opkomend veld in de natuurkunde geworden, door Pekkanen en zijn collega's bij het CERN Compact Muon Solenoid (CMS) experiment genoemd als 'jet particologie'. Ze registreren de botsingen in de CERN Large Hadron Collider en meten de nasleep ervan. Vrijwel elke botsing produceert jets, of uitbarstingen van tientallen deeltjes die bestaan ​​uit quarks en gluonen. Onderzoekers tellen de totale energie in de jets en meten hoe hun energie wordt gedragen door verschillende soorten deeltjes.

"We proberen een zo gedetailleerd mogelijk begrip te krijgen van de jets met de miljoenen sensoren in onze 20 meter lange, Detector van 15 duizend ton. Hoe nauwkeuriger we worden met onze metingen, hoe gemakkelijker het wordt om nieuwe deeltjes te ontdekken, ' zegt Pekkanen.

De duizenden signalen die enkele van de miljoenen sensoren opvangen, moeten worden gesorteerd met complexe algoritmen. Door de gebeurtenissen na te bootsen met computersimulaties, de sensoren kunnen worden afgesteld.

Jets kunnen, volgens Pekkanen, ook de sleutel zijn bij het vinden van nieuwe massieve deeltjes. Hij heeft zich gericht op gebeurtenissen waarbij een botsing van deeltjes twee jets produceert die in tegengestelde richtingen barsten.

"Deze gebeurtenissen kunnen het punt zijn waarop een onbekend deeltje voor het eerst wordt geboren en dan onmiddellijk vervalt in andere deeltjes. We analyseren miljarden van deze botsingen en kijken of we afwijkingen ontdekken die een teken kunnen zijn van een revolutionair nieuw deeltje, ’ legt Pekkanen uit.

Het onderzoek maakt gebruik van het hoogste energieniveau ooit bereikt in de Large Hadron Collider:13 teraelectronvolts. Voor een enkel proton is dat best veel, ongeveer de kinetische energie van een vliegende mug. Tel alle protonenergieën bij elkaar:genoeg om een ​​jumbojet te laten vliegen.

De experimenten gaan door:tegen eind 2022 de natuurkundigen verwachten tot tien keer meer data te verzamelen.

"Tot nu toe hebben we het volgende nieuwe massieve deeltje niet gevonden. Dit betekent dat er behoefte is aan het ontwerpen van de volgende generatie hadron-botsers en detectoren om nog hogere energieën te bereiken - en hopelijk langverwachte nieuwe fysica."