Nieuwe algoritmen en detectoren bereiden weg voor toekomstig deeltjesonderzoek bij CERN
Hoe ver kunnen we het Standaardmodel van de deeltjesfysica nog op de proef stellen? Heel ver, als het aan de jonge onderzoekers Kunal Gautam en Eduardo Ploerer ligt. In hun doctoraatsonderzoek, uitgevoerd aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB) en de Universiteit van Zürich, worden baanbrekende methoden ontwikkeld om de geplande Future Circular Collider (FCC-ee) te voorzien van ogen en hersenen die scherper zijn dan ooit.
“De FCC-ee wordt een precisie-instrument”, zegt Gautam. “Maar die precisie moet wel ondersteund worden door nieuwe analysetechnieken en detectoren. Alleen zo kunnen we de subtielste afwijkingen van het Standaardmodel zichtbaar maken.”
Een sleutelelement in dat streven is de jet-flavour tagging: slimme algoritmen die de vingerafdruk van een quark achterhalen uit de wirwar van deeltjes die bij botsingen ontstaan. Quarks zijn elementaire deeltjes. Voor zover we weten hebben ze geen inwendige structuur en kun je ze dus zien als de allerkleinste bouwstenen van materie die we vandaag kennen. Het uit elkaar houden van de verschillende soorten quarks die tijdens de botsingen in de versneller tevoorschijn komen blijkt helemaal niet zo eenvoudig. Beide jonge onderzoekers en hun collega’s ontwierpen hiervoor het DeepJetTransformer-algoritme, een nieuw neuraal netwerk gebaseerd op de nieuwste transformer-technologie uit het huidige arsenaal van machine learning technieken. Het programma werkt als een slim computerbrein dat patronen herkent in enorme hoeveelheden gegevens, vergelijkbaar met hoe ChatGPT taal begrijpt. In dit geval gaat het om data uit deeltjesversnellers, waar de elementaire quarks die uit de botsingen tevoorschijn komen leiden tot bundels van deeltjes, zogeheten jets, die door de deeltjesdetectoren gemeten worden. Die jets zijn echter zo complex dat het voor onderzoekers moeilijk is te achterhalen welke soort quark nu precies aan de basis van welke jet ligt. DeepJetTransformer maakt dat proces veel nauwkeuriger en efficiënter, waardoor wetenschappers beter zicht krijgen op welke processen er zich voordeden tijdens de botsingen en welke, soms exotische nieuwe deeltjes daarbij gevormd werden. “Het combineert snelheid met nauwkeurigheid”, legt Gautam uit. “We kunnen bijvoorbeeld jets komende van charm- en bottomquarks uitstekend onderscheiden, en zelfs jets van vreemde quarks (‘strange jets’) met verrassend hoge efficiëntie identificeren, iets wat tot nu toe bijna ondenkbaar was. .
Het onderzoek is niet louter een theoretische spielerei. Dankzij de nieuwe methode kan een uiterst moeilijk te reconstrueren verval van het Z-boson, een zwaar deeltje dat in de jaren ’80 werd ontdekt en dat een sleutelrol speelt in de zwakke kernkracht, naar strange quarks al binnen enkele seconden worden waargenomen in de voorgestelde FCC-ee versneller. Dat is best bijzonder omdat het proces normaal volledig verdrinkt in de overvloed aan andere deeltjes die bij botsingen ontstaan. De meetnauwkeurigheid gaat er bovendien bijna duizend keer op vooruit, waardoor onderzoekers voor het eerst een subtiel effect, de zogenaamde voorwaartse-achterwaartse asymmetrie, waarbij de quarks iets vaker in de ene richting dan in de andere vliegen, scherp in beeld kunnen brengen.
Maar theorie alleen is niet genoeg: de vooruitgang staat of valt met betere meetapparatuur. Daarom werkten beide onderzoekers ook aan ultradunne siliciumdetectoren, de zogenaamde monolithische actieve pixelsensoren (MAPS). Die sensoren, waarvan prototypes worden gemaakt met een geavanceerd 65 nm productieproces, combineren een haarscherpe resolutie van minder dan drie micrometer met een detectie-efficiëntie boven de 99 procent. “Ook onder zware straling blijven ze uitstekend presteren”, zegt Ploerer . “Dat is cruciaal voor toekomstige projecten zoals de FCC-ee, maar ook voor lopende experimenten zoals ALICE bij de LHC.”
Met hun onderzoek plaatsen Gautam en Ploerer een stevige bouwsteen voor de toekomst van de hoge-energie fysica. “Het ultieme doel”, besluiten ze, “is dat we niet alleen bevestigen wat we al weten, maar juist openstaan voor verrassingen. De FCC-ee zou wel eens de plek kunnen zijn waar barstjes in het Standaardmodel goed zichtbaar worden.”
Meer info:
Michael Tytgat: Michael.Tytgat@vub.be
Frans Steenhoudt
