Nederlands    English  
login
Portaalsite Universiteit GentExperimentele Deeltjesfysica

Gentse activiteiten in deeltjesfysica

Astrodeeltjesfysica op de Zuidpool

Het IceCube Neutrino Observatory (kort: IceCube) is, een volume van 1 kubieke kilometer omvattend, 's werelds grootste neutrino detector. De detector is gelegen op de Zuidpool, en maakt gebruik van het Antarctische ijs als medium om hoge-energie neutrino's te detecteren. Deze neutrino's zijn afkomstig van kosmische bronnen en bereiken energieën die niet kunnen worden verkregen in onderzoeksfaciliteiten op Aarde. De IceCube samenwerking omvat bijna 250 mensen, afkomstig uit 38 instituten uit 10 landen.

Het Experiment

Neutrino's hebben een zeer kleine werkzame doorsnede voor elk type interactie. Als we neutrino's willen detecteren, hebben we dus zeer grote detector volumes nodig. In het IceCube experiment worden 5160 digitale optische modules (DOM) gemonteerd op 86 verticale snaren ("strings"). De DOMs zijn bevroren op een diepte tussen 1450 en 2450 m onder het Zuidpool oppervlak. IceTop, de component van IceCube op het oppervlak, bestaat uit 81 detector stations (met elk 4 DOMs) en omvat een gebied van gebied van 1 km2 boven de IceCube strings. Door de combinatie van de detectie van de elektromagnetische component van de kosmische straling met IceTop en van de muon bundel in de diepe ondergrondse detector is het IceCube Neutrino Observatory een krachtige detector om de samenstelling en energie van kosmische straling te meten.

Als een neutrino interageert, creëert het een elektron, een muon of een tau. Wanneer deze geladen deeltjes door het ijs propageren wordt er Cherenkov straling uitgestuurd. Dankzij hun kleine energieverlies tijdens de voortplanting door het ijs en de lange lengte alvorens ze vervallen, geven muonen het gemakkelijkste signaal om te reconstrueren. Dus wanneer een muon door het ijs reist, zal de uitgezonden Cherenkov straling worden gedetecteerd door de DOMs, die bestaan uit een fotomultiplicatorbuis (PMT) en bijbehorende elektronica. Door middel van deze signalen kan de werkelijke richting en energie van het muon gereconstrueerd worden.

Sinds december 2010 is de IceCube detector volledig, al werd er al data genomen sinds 2006, wanneer IceCube bestond uit 9 strings.

Natuurkunde

Neutrino's worden niet beïnvloed het galactische magnetisch en interageren enkel zwak. Hierdoor kunnen ze grote afstanden afleggen zonder geabsorbeerd te worden of van richting te veranderen. Bovendien worden ze niet beïnvloed door gebieden met hoge dichtheid die ondoorzichtig zijn voor fotonen. Daarom kunnen neutrino's ons voorzien van directe informatie van de meest energetische processen in ons universum. IceCube is op zoek naar hoge-energie neutrino's van de meest gewelddadige astrofysische bronnen zoals gamma-ray uitbarstingen, galactische supernova restanten en actieve galactische kernen. Deze verschijnselen kunnen ons informatie en kennis opleveren over, bijvoorbeeld, de oorsprong en evolutie van ons universum. Bovendien kan een neutrinotelescoop worden gebruikt om te zoeken naar mogelijke kandidaten van donkere materie en onderzoek te doen naar neutrino oscillaties.

Kosmische deeltjes die op de aardse atmosfeer invallen produceren een grote waterval van vele duizenden of zelfs miljoenen deeltjes. Aangezien het experiment bestaat uit zowel een ondergrondse als oppervlakte detector is IceCube ideaal om deze kosmische straling te bestuderen en zo de energie en massa van het primaire deeltje te bepalen.

Onderzoeksonderwerpen van de Gentse groep

Op dit moment is de bijdrage van de IceCube groep in Gent gemanifesteerd in drie gebieden. Vanaf het begin van onze verbinding met IceCube heeft de Gentse groep gewerkt aan de studie van de kosmische straling. Sinds korte tijd werken we ook op twee andere gebieden. Aan de ene hand proberen we tau-neutrino's te detecteren met behulp van IceCube. Daarnaast zijn we mede verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van een nieuwe detector voor een mogelijke lage-energie-extensie voor IceCube. In 2011 heeft een van de voormalige Gentse doctoraatsstudenten een winterover gedaan op de Zuidpool voor het IceCube experiment.
The Solid Experiment

De Solid collaboratie heeft tot doel de reactor anomalie op te lossen. Deze anomalie houdt in dat de reactor antineutrino flux lager is dan verwacht uit berekeningen. Een mogelijke verklaring voor dit tekort is dat neutrinos zouden oscilleren in een nieuw, fundamenteel deeltje. Dit zogenoemde steriel neutrino kan niet worden waargenomen aangezien het niet zwak reageert. Door een gesegmenteerde detector te installeren nabij de BR2 reactor kern, te Mol, België, zou het Solid experiment het bestaan van dit deeltje kunnen bevestigen of uitsluiten.

Neutrinos zijn niet zo standaard

Neutrinos zijn veruit de meest abundante deeltjes in het Universum. Lang werden ze massaloos geacht, passend in het Standaard Model, maar neutrino oscillaties toonden aan dat deze toch een massa hebben en een niet-ontaarde massa hiërarchie vertonen. In het 3 neutrino mixing framework, zijn de drie standaard neutrino smaken (e,μ,τ) een unitaire, lineaire combinatie van drie massieve neutrinos. Een reeks anomalieën toont echter aan dat dit niet het einde van het verhaal is. De eerste tekenen kwamen van experimenten zoals SAGE en GALLEX, die met behulp van vloeibaar Gallium detectors onderzoek deden naar neutrinos komende van de zon. Hun calibratie metingen toonden een 2.8 σ tekort aan neutrino events aan. Een tweede groep experimenten, LSND in Los Alamos en MiniBooNE in Fermilab, observeerde een overschot aan electron antineutrino events uit een muon antineutrino bundel. Ten slotte wezen verbeterede berekeningen erop dat de verwachte reactor antineutrino flux gemiddeld met 3% moest toenemen, wat een tekort veroorzaakte aan waargenomen neutrinos. Dit effect staat bekend als de reactor neutrino anomalie.

De steriele neutrino hypothese

Door de vele uiteenlopende experimenten die in dezelfde richting wijzen, is het onwaarschijnlijk dat een puur experimenteel effect aan de basis ligt van de anomalieën. Een verklaring moet eerder worden gezocht in een tot nog toe onbekend fysisch effect. Een mogelijke oplossing kan geboden worden door het bestaan van een, of meer, niet-standaard neutrinos. Zo een deeltje moet licht zijn en op korte afstanden kunnen oscilleren met de standaard neutrinos. Toch weten we van de LEP resultaten dat er slechts 3 neutrinos koppelen met het Z boson en dat een extra neutrino dus niet zwak kan interageren. Vandaar de benaming "steriel".

Het Solid experiment

De internationale Solid collaboratie stelt een experiment voor waarbij de electron antineutrino flux direct wordt gemeten op een zeer korte (5-12m) afstand van de BR2 reactor kern. De BR2 onderzoeksreactor heeft ideale eigenschappen voor dit soort experiment. Enerzijds heeft het een zeer compacte kern, waardoor het een zo goed als puntvormige bron voorstelt dewelke een hoge resolutie heeft op het oscillatie patroon. Anderzijds is er voldoende vermogen om voldoende neutrino interacties te veroorzaken. De Solid detector maakt gebruik van een nieuwe scintillator technologie waarbij een combinatie wordt gemaakt van Poly-Vinyl Tolueen (PVT) kubusjes van 5cm lengte en een dunne 6LiF:ZnS(Ag) film om extra gevoelig te zijn aan thermische neutronen. De fijn gesegmenteerde 3D detector, samengesteld uit 20 frames van elk 256 kubusjes, heeft een frontoppervlakte van 1.2 x 1.5m en een massa van 2.88t. Dit ontwerp zorgt ervoor dat de producten van het invers bètaverval dicht bij het punt van interactie worden waargenomen en geeft ook een goede energie en positie resolutie. Het door de reactor uitgestuurde neutrino interageert met een proton van de detector, hetgeen aanleiding geeft tot een neutron en een positron:

νe + p → n + e+ (Eν > 1.805 MeV)

Naast het snel positron signaal, thermaliseert het neutron waarna het, een paar cm verder en een paar honderd ns tot een paar honderd µs later, geabsorbeerd wordt in een Li6 laag:

n + 6Li + p → 3H + α + 4.78 MeV.

Een neutrino event wordt geïdentificeerd door een tijd coïncidentie tussen het snelle signaal van het positron en de vertraagde puls van het neutron. Aangezien de gemiddelde energie van het neutron ongeveer 10keV bedraagt, kan het zelfs in een aangrenzende kubus worden geabsorbeerd waardoor een directionele meeting mogelijk wordt. Het scintillatie licht wordt opgevangen door golflengte verschuivende fibers en uitgelezen door MPPC fotodiodes, zowel in de horizontale als in de verticale richting van elk frame. Het signaal van een neutron event is zeer verschillend van een electromagnetisch signaal, hetgeen de invers bètaverval selectie vereenvoudigt. Met een verwachte 41% efficiëntie en 2 jaar duur startend van zomer 2016 (150 dagen/jaar), kan een totaal van 250k events worden verzameld - voldoende om de huidige reactor anomalie regio onder 5 eV2 met meer dan 99% C.L. te onderzoeken tegen het eind van 2017.

Activiteiten in Gent

De constructie van de volledige Solid detector is voorlopig gepland om van start te gaan in de zomer van 2015. Grote delen hiervan zullen plaatsvinden in Gent , van de constructie van de modules, het testen van de verschillende detector componenten (waaronder de karakterisatie van duizenden kubusjes, honderden golflengte verschuivende fibers en MPPCs ), tot uiteindelijk zorgen dat alle componenten klaar zijn voor installatie op de BR2 site. Ons departement heeft reeds een grote rol gespeeld in de constructie van de eerste sub module in de zomer van 2014. Onze groep helpt ook bij de coördinatie van de ontwikkeling van een gespecialiseerd software framework, hetgeen het delen van analyse ontwikkelingen veel zal vereenvoudigen, en het ontwerpen en onderhouden van een database. In samenwerking met de VUB worden verschillende analyses uitgevoerd, waaronder een uitgebreide attenuatie studie van de individuele frames van de eerste sub module en een analyse van de digitale ruis in de data.
Natuurkunde met de versnellers bij CERN

Wat is LHC?

De Large Hadron Collider (LHC) is een versneller waar botsingen gebeuren van protonen met bijna de snelheid van het licht: 40 miljoen keer per seconde en zevenmaal de energie van de meest krachtige versnellers gebouwd tot nu. Veel van deze protonen zullen elkaar alleen vluchtig raken, maar sommigen zullen frontaal botsen en deze botsingen zijn hierdoor zeer energiek. Wanneer dit gebeurt zal een deel van de energie van de botsing omgezet worden in massa. Eerder onopgemerkte, kortstondige deeltjes -die aanwijzigingen zouden kunnen geven over hoe de natuur zich gedraagt op een fundamenteel niveau - vliegen in en uit de detector. Leer hoe de LHC machine werkt ...

Wat is CMS?

CMS is een deeltjesdetector die ontworpen is om een groot aantal deeltjes en verschijnselen die in hoogenergetische botsingen in de LHC gebeuren te zien. Net als een cilindrische ui, meten verschillende lagen van detectoren verschillende deeltjes. Deze gegevens worden gebruikt om een beeld vormen van de gebeurtenissen in het hart van de botsing. Vervolgens gebruiken wetenschappers deze gegevens om te zoeken naar nieuwe fenomenen die zullen helpen om te antwoorden op vragen als: Waar is het heelal eigenlijk van gemaakt en wat zorgt ervoor dat het heelal zich zo gedraagt? En wat geeft alles massa? CMS zal ook de eigenschappen van eerder ontdekte deeltjes met ongekende precisie meten, en is op zoek naar geheel nieuwe, onverwachte verschijnselen. Leer meer over de CMS detector ...
De CMS gemeenschap heeft vandaag ongeveer 4300 actieve mensen (fysici, ingenieurs, technische, administratieve, studenten, enz.), met inbegrip van 1740 PhD fysici en 845 natuurkunde promovendi. Een typische CMS fysica papier kan ongeveer 2100 auteurs hebben! Neem een kijkje op de publieke pagina's van de CMS community ...

Wat doen wij in Gent?

Sinds 2007 is onze groep lid van de CMS Collaboration. We hebben ons toegespitst in zowel het analyseren van data die door de LHC in 2011 en 2012 geproduceerd werd als het helpen klaarstomen van de CMS detector voor een vlotte herstart in 2015. Tevens zijn we actief in de data-analyse (metingen van de top-quark eigenschappen, zoektocht naar SUperSYmmetrie). Ook hebben we een grote betrokkenheid in de controle, plaatsing en upgrade van een aantal detectoren (Resistive Plate Chambers en Gas Electron Multipliers).

De top quark

De top quark is het zwaarste deeltje in het Standaard Model wat een verzameling van theorieën is die al onze huidige kennis belichaamt over het gedrag van elementaire deeltjes. Het werd voor het eerst waargenomen in proton-antiproton botsingen bij de Fermilab Tevatron versneller. Sindsdien zijn de top-quark eigenschappen bestudeerd door de Tevatron experimenten en blijken ze in overeenstemming te zijn met de verwachtingen van het Standaard Model.

Bij de LHC kan top-quark productie worden bestudeerd in proton-proton botsingen bij veel hogere energie, waardoor uitgebreidere metingen van de top-quark eigenschappen mogelijk zijn. Een nauwkeurige meting van deze eigenschappen is belangrijk omdat de top-quark productie een belangrijke achtergrond kan vormen voor nieuwe fysica. Via de LHC kunnen top quarks afzonderlijk geproduceerd worden of in paren. Wij richten ons op de studie waarbij top-quarks geproduceerd worden in paren via de volgende studies: Met data van botsingen aan een energie van 7 en 8 TeV richten we ons naar het enkelvoudige leptonkanaal. Hier werd een W boson geproduceerd, via het verval van een top quark, dat vervalt naar twee quarks. Het W boson van de andere top quark vervalt naar een lepton en een neutrino. Aan de hand daarvan meten we hoeveel van deze top quarks geproduceerd zijn (werkzame doorsnede), zijn massa en meer subtiele eigenschappen die afkomstig zijn van de onderlinge spin tussen de twee quarks (spin-correlatie). Met de data die we zullen verkrijgen bij botsingen aan 13 TeV zullen we ons richten op het tweevoudige leptonkanaal waar beide W bosonen zullen vervallen in een lepton (elektron of muon) en een neutrino. We hopen de werkzame doorsnede te meten van de top-antitop producties met de eerste data (0.5 - 1 fb-1) en de werkzame doorsnede van producties met top-antitop paren samen met een W of Z boson met minstens 10 fb-1.

De groep levert ook zijn bijdrage naar de TOP PAG groep via coördinators en contactpersonen.Een verzameling van de openbare CMS papers kunnen hier gevonden worden.

De zoektocht naar Supersymmetrie

Supersymmetrie (of SUSY) is een van de meest aantrekkelijke uitbreidingen van het Standaard Model (SM) van de deeltjesfysica. Hierin stelt men een extra symmetrie voorop die voorspelt dat er een krachtdragend deeltje (boson) bestaat voor elk materiedeeltje (fermion), en vice versa. Als gevolg hiervan zou het aantal bestaande deeltjes verdubbelen. SUSY leidt tot verschillende elegante oplossingen voor theoretische problemen zoals: het Hiërarchie probleem, de unificatie van koppelingsconstanten voor de verschillende interacties, en het voorspellen van veelbelovende kandidaten voor donkere materie. Verschillende experimenten hebben al gezocht naar SUSY, dusver zonder succes. Dit plaatst beperkingen op de parameters van het gekozen theoretische model. Experimenten zoals ATLAS en CMS aan de Large Hadron Collider (LHC) in CERN zijn op dit moment bezig met het analyseren van data en het zoeken naar supersymmetrie bij nooit geziene energie. De eerste set resultaten van de LHC (Run I) bevatte geen aanwijzing voor supersymmetrie de bijdrage vanuit Gent waren zoektochten naar:
  • Derde generatie squarks, voornamelijk de lichtste supersymmetrische partner van de top quark (stop quark) waar een enkel lepton te vinden is in de eindtoestand.
  • De zoektocht naar SUSY productie via de sterke wisselwerking.
  • De zoektocht naar SUSY productie via de elektromagnetische wisselwerking, via chargino-neutralino paren, in het kanaal met drie leptonen en onzichtbare energie (door deeltjes die niet gemeten worden).
  • De zoektocht naar gluino’s geproduceerd in paren in het kanaal met drie leptonen.
  • Het uitsluitend hadronische regime met een b-jet en een energetisch W boson waarbij gebruik gemaakt wordt van de zogehete razor variabelen. Er wordt voornamelijk gezocht naar gluino’s die vervallen naar een top en stop quark.
  • De zoektocht naar lang-levende, neutrale deeltjes (neutralino) die vervallen naar fotonen. Als het neutralino een zekere levensduur heeft zal het waargenomen foton afkomstig zijn van een vertex die niet samenvalt met de as van de proton-proton straal.

De Resistive Plate Chambers

De Gentse groep is betrokken bij het Resistive Plate Chamber (RPC) muon systeem van de CMS detector. Omdat RPC’s snelle gasdetectoren zijn, worden ze gebruikt in muon triggering. Ze zijn opgebouwd uit twee evenwijdige platen met een tegengestelde lading. De platen zijn gemaakt van een materiaal met een hoge resistiviteit en zijn gescheiden via een gas. Wanneer een muon het gas doorkruist krijgen we een -Y΄lawine‘ aan elektronen. Deze elektrische impuls wordt gemeten door externe metallische strips. RPC’s koppelen een goede spatiale resolutie met een tijdsresolutie van slechts één nanoseconde. De groep in Gent heeft meerdere belangrijke rollen op zich genomen:
  • Bijna een vierde van alle RPC’s die in de endcap geplaatst zijn werden geproduceerd in Gent (RE4).
  • We zijn verantwoordelijk voor voor het toezicht houden op de datakwaliteit die van de detector komt en we bepalen de off-line shifts in CERN.
  • We nemen een leidende rol in het coördineren van de detectorstudie voor de reconstructie van muonen.
  • We zijn ook actief in de upgrade van het endcap RPC systeem voor de laatste fase van de LHC en zijn betrokken in de studies rond het CMS high-level trigger systeem (HLT).

De Gas Electron Multiplier

Een Gas Electron Multipliers (GEM) is een gasdetector die gebruik maakt van ionisatie van het gas. Het bestaat uit een dunne isolatielaag bedekt met koperen lagen en geperforeerd met een diameter van enkele μm. Een hoogspanning wordt over de lagen aangelegd waardoor sterke elektrische velden ontstaan in de gaten. Als het gas zorgvuldig genoeg wordt gekozen kan een enkel elektron een lawine aan andere elektronen veroorzaken. Deze elektrische impuls kan uitgelezen worden door geleidende strips die over een vlak oppervlak verspreid liggen. Met een dubbele of drievoudige GEM structuur kunnen we een inkomend elektrisch signaal tot wel een miljoen keer versterken. De CMS GEM collaboratie overweegt Gas Electron Multipliers (GEM) voor het upgraden van het voorwaartse CMS muon systeem in de endcap regio. GEM detectoren kunnen precieze tracking en snelle trigger informatie bieden. Ze zouden het CMS muon trigger systeem en de muon impulsresolutie verbeteren en zorgen voor ontbrekende detectorgevoeligheid in de sterke voorwaartse en achterwaarste richting. De groep in Gent helpt met de bouw van full-scale Triple-GEM muon detectoren voor de binnenste ring van het eerste muon endcap station.
Beyond the LHC

The CALICE Collaboration

The CALICE (CAlorimeter for the LInear Collider with Electrons) Collaboration is a Research and Development group af about 340 physicists and engineers from around the world, working on development of calorimeter detectors for future high energy e+e- experiments. The Linear Collider requires a calorimeter with very fine segmentation and a design optimized for the reconstruction of the energy and direction of all individual particles in multi-jet events using particle-flow techniques. The CALICE Collaboration aims to demonstrate the technical feasibility of such detectors by constructing and putting into test beam several different ECAL and HCAL prototypes, including corresponding electronics and redaout systems, and dedicated detector simulations and data reconstruction software.
Deeltjes- en Astro-deeltjesfysica

Activiteit in Deeltjesfysica

De onderzoeksfocus in onze groep gaat van hadronendiffractie in hoge energie QCD processen tot de wiskundige eigenschappen en fenomenologie van niet-minimale Higgs sectors en flavorsymmetrieën . Op dit moment werken we in de groep aan verscheidene modellen voorbij het Standaard Model die gebruik maken van een uitgebreide Higgs sector, zoals multi-Higgs-doublet modellen, met als doel het vestigen van gegronde resultaten die kunnen toegepast worden op brede klassen van zulke modellen en mogelijk een gids kunnen zijn voor het opstellen van nieuwe modellen voorbij het Standaard Model.

Activiteit in Astrodeeltjesfysica

Onze interesses liggen in het gebied van de fysica van astrofysische plasmas, straling en de versnelling van kosmische straling in de schokken van galactische bronnen zoals sSuper Novae, microquasars en x-binary jets ; en extra-galactische bronnen zoals Gamma-Ray-Bursts en Active Galactic Nuclei jets. De verschillende groepsleden zijn op dit moment aan het werken aan relativistische jets, galactische en extra-galactische propagatie van cosmic rays, en de bijhorende straling, met directe koppeling aan observationele data (bv. Icecube/Icetop, AUGER, Fermi, enz.).