Het laatste stuk van een geheel nieuwe detector heeft de eerste etappe van zijn reis naar het ontsluiten van enkele van de meest blijvende mysteries van het universum voltooid.

De 41 miljoen pixels tellende Vertex Locator (VELO) werd geassembleerd aan de Universiteit van Liverpool. Het werd samengesteld uit componenten die in verschillende instituten waren gemaakt, voordat het naar zijn huis reisde bij het Large Hadron Collider beauty (LHCb)-experiment op CERN.

Eenmaal geïnstalleerd op tijd voor het nemen van gegevens, zal het proberen de volgende vragen te beantwoorden:

• Waarom is het universum gemaakt van materie en niet van antimaterie?
• Waarom bestaat het überhaupt?
• Wat is er nog meer?

Een fijne balans aan het begin van ruimte en tijd

In de ogenblikken direct na de oerknal was het heelal gevangen in een fijn evenwicht tussen materie en antimaterie.

Van wat we begrijpen over de natuurwetten, zouden deze vormen van materie elkaar hebben vernietigd en een universum hebben achtergelaten dat alleen gevuld is met licht. Maar tegen alle verwachtingen in kreeg de materie op de een of andere manier het voordeel en bleef er iets over om het universum te vormen dat we vandaag kennen.

Ons beste begrip van de fysica van de oerknal vertelt ons dat materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden zijn ontstaan. Toen ze contact maakten in het (veel kleinere en veel dichtere) vroege heelal, zou al hun gecombineerde massa met geweld in pure energie moeten zijn omgezet. Waarom en hoe materie de ontmoeting heeft overleefd, is een van de meest diepgaande mysteries in de moderne wetenschap.

De huidige theorie is dat, hoewel materie en antimaterie zijn gemaakt als bijna perfecte spiegelbeelden, er een kleine onbalans of smet moet zijn geweest. Dit betekende dat sommige geen perfecte reflecties waren. Dit verschil, hoe klein ook, was misschien genoeg om de materie een voorsprong te geven.

Door de spiegel

Wetenschappers hebben al een kleine barst in de spiegel gevonden, de zogenaamde charge-parity (CP)-schending. Dit betekent dat in sommige gevallen de symmetrie van de materie en de antimaterie-reflectie wordt verbroken.

Dit resulteert in een deeltje dat niet het perfecte tegenovergestelde is van zijn tweelingzus, en deze "gebroken symmetrie" kan betekenen dat het ene deeltje een voordeel kan hebben ten opzichte van het andere.

Wanneer deze symmetrie wordt verbroken, kan een antimateriedeeltje in een ander tempo vervallen dan zijn materie-tegenhanger. Als er na de oerknal genoeg van deze schendingen plaatsvonden, zou dit kunnen verklaren waarom materie het heeft overleefd.

Door zich anders te gedragen dan hun antimaterie-equivalenten, is het mogelijk dat materiedeeltjes met gebroken symmetrie er net iets langer over deden om te vervallen. Als dit ervoor zorgde dat de materie iets langer bleef hangen, zou het kunnen verklaren waarom het de laatste was die overeind bleef.

Het diepe onbekende

Waarom materie overleefde is niet het enige mysterie in het universum. Er is nog een probleem dat wetenschappers in verwarring brengt:wat zou donkere materie kunnen zijn?

Donkere materie is een ongrijpbare, onzichtbare materie die de zwaartekrachtslijm levert om sterren rond sterrenstelsels te laten bewegen. Omdat we nog niet weten wat donkere materie is, kan het zijn dat er andere, nieuwe deeltjes en krachten in het heelal zijn die we nog niet hebben gezien.

Het ontdekken van iets nieuws zou een radicaal ander beeld van de natuur kunnen onthullen dan het beeld dat we hebben. Nieuwe deeltjes zoals deze zouden zichzelf kunnen aankondigen door de manier waarop de deeltjes die we kunnen zien zich op subtiele wijze te veranderen, waardoor kleine maar detecteerbare sporen in onze gegevens achterblijven.

De schoonheid en charme van VELO

De nieuwe VELO-detector, die de oude VELO-detector zal vervangen, zal worden gebruikt om de subtiele verschillen te onderzoeken tussen materie- en antimaterieversies van deeltjes die subatomaire deeltjes bevatten. Deze staan ​​bekend als beauty-quarks en charm-quarks.

Deze exotische quark-bevattende deeltjes, ook wel B- en D-mesonen genoemd, worden geproduceerd tijdens botsingen in de Large Hadron Collider (LHC). Ze zijn moeilijk te bestuderen omdat mesonen erg onstabiel zijn en binnen een fractie van een fractie van een seconde verdwijnen.

Wanneer ze echter vervallen, veranderen ze in iets anders. Wetenschappers geloven dat VELO-gegevens, door deze verschillende vervalsingen en hun eigenschappen te bestuderen, LHCb zullen helpen om de fundamentele krachten en symmetrieën van de natuur te onthullen.

Ongelooflijk nauwkeurige metingen

De nieuwe VELO-detector komt zo dicht mogelijk bij de plek waar de deeltjes botsen in het LHCb-experiment. Deze deeltjes vervallen in minder dan een miljoenste van een miljoenste van een seconde en reizen slechts enkele millimeters. Daarom geeft deze nabijheid het apparaat de best mogelijke kans om hun eigenschappen te meten.

Dankzij de gevoeligheid van VELO en de nabijheid van de LHC-stralen kan het ongelooflijk nauwkeurige metingen doen van de deeltjes terwijl ze vervallen.

Door deze metingen te vergelijken met voorspellingen van het standaardmodel (de leidende theorie van de deeltjesfysica) kunnen wetenschappers afwijkingen zoeken die zouden kunnen wijzen op nieuwe deeltjes in de natuur. Ze kunnen ook zoeken naar CP-schendingen of andere redenen waarom materie en antimaterie zich anders gedragen.

Deze afwijkingen kunnen een revolutie teweegbrengen in ons begrip van waarom het universum is wat het is.

Voortbouwen op de erfenis van het oude

De VELO mag dan gloednieuw en hypermodern zijn, hij zal voortbouwen op de erfenis van de vorige VELO-detector. De VELO heeft een ultramoderne pixeldetector die bestaat uit rasters van kleine vierkantjes silicium die een hoge resolutie geven, zelfs in de uitdagende stralingsomgeving in de buurt van de LHC-stralen.

Zijn voorganger, met zijn lijnen van gestapelde siliciumdetectoren, hielp de LHCb ontdekkingen te doen, waaronder:

• Nieuwe toestanden van materie.
• Ongelooflijk zeldzaam beauty-quark vervalt.
• Verschillen tussen charme-quarks van materie en antimaterie.
• De eerste intrigerende indicatie van tot nu toe onverklaard gedrag bij het verval van beauty quarks.

Glimp van gedrag van deeltjes

UK VELO-projectleider Professor Themis Bowcock, van de Universiteit van Liverpool, zei:"De gegevens die zijn vastgelegd door de oude VELO-detector hebben ons echt verleidelijke glimpen van het gedrag van deeltjes gegeven. Om vooruitgang te boeken, moeten we dit omzetten in een echt grondige, forensische onderzoek en dit is waar de nieuwe VELO-detector van pas komt. Het geeft ons de precieze set ogen die we nodig hebben om deeltjes te observeren op het detailniveau dat we nodig hebben. Heel eenvoudig, de VELO maakt ons hele natuurkundeprogramma mogelijk op LHCb. "

Ongekend detail

De nieuwe VELO zal dit verval in ongekend detail kunnen vastleggen.

Combineer dit met geüpgradede software en supersnelle uitleeselektronica waarmee schoonheids- en charme-quarks in realtime kunnen worden gelokaliseerd. Wetenschappers zullen een apparaat hebben waarmee ze verval kunnen volgen en analyseren dat voorheen te moeilijk was om te reconstrueren.

Wat de nieuwe VELO-detector ook uniek maakt, is dat wetenschappers hem uit de weg kunnen tillen terwijl ze de deeltjesbundels voorbereiden op botsingen. Vervolgens kunnen ze het mechanisch op zijn plaats verplaatsen wanneer LHCb klaar is om gegevens te verzamelen.

Hierdoor kunnen wetenschappers duidelijke informatie vastleggen van de eerste deeltjes die door de botsingen worden uitgestraald, zonder onnodige slijtage van de straal. + Verder verkennen

Subatomair deeltje veranderd in antideeltje en terug