Onderzoeksproject P7/37 (Onderzoeksactie P7)
Fundamentele interacties: samenwerking tussen de onderzoeksgroepen met theoretische en experimentele benaderingen.
Fundamentele interacties bevatten de elektrozwakke en sterke wisselwerking en de zwaartekracht (en hun mogelijke uitbreidingen). De studie van deze krachten is gericht op inzicht van de mechanismen der natuur op het meest fundamentele niveau, maar voedt daarnaast ook ons begrip van het heelal en de evolutie daarvan, door werk aan de frontlinie van de huidige kennis. Deze zoektocht gebruikt de meest krachtige experimentele instrumenten (zoals de Large Hadron Collider op CERN) en innovatieve observatiemethoden (in het bijzonder in de context van de zoektocht naar donkere materie en multi-messenger astro- en kosmische deeltjes).
In de vorige fasen van het IAP programma, waaraan de meeste huidige groepen al meewerkten (IAP V/27 en VI/11), heeft zich een nauwe samenwerking tussen de theoretici en experimentatoren ontwikkeld. Dit werd enthousiast erkend in de zeer grondige “ex-post” evaluatie. De komende vijf jaar zullen zich cruciale ontwikkelingen voordoen die worden verwacht de volgende belangrijke resultaten te produceren:
- De LHC in Genève is nu in de stabiele fase, en zal waarschijnlijk de eerste antwoorden kunnen geven betreffende de werking van het Brout-Englert-Higgs mechanisme (zie hieronder) op basis van de gegevens verzameld tegen het einde van 2012. Hierna zal een tijdelijke stillegging volgen, die de werking en productiviteit van de versneller beslist nog zal verbeteren. Na deze verbeteringen zal de versneller in het bijzonder nog krachtiger en veelzijdiger zijn als middel voor de studie voorbij het Standaardmodel, zoals de zoektocht naar donkere materie en Large Extra Dimensions…
- Overal ter wereld zijn experimenten die zich richten op waarnemingen betreffende de massa van neutrino’s en neutrino oscillaties. Ook wordt door deze experimenten op directe en indirecte wijze gezocht naar donkere materie, met steeds verbeterde gevoeligheid. Het is lastig om in dit vakgebied de resultaten exact te voorspellen, maar desondanks is het duidelijk dat met de huidige precisie ook hier een opwindend tijdperk is aangebroken.
- Observationele kosmologie (in de lange traditie van G.Lemaître) inclusief de toekomstige resultaten van de Planck en gamma-stralen satellieten, maar ook de studie van hoog-energetische kosmische straling en neutrino’s zoals in Auger, TelescopeArray, IceCube en zijn uitbreidingen, is het testen van gedetailleerde en steeds gevoeliger voorspellingen van astrofysische en kostmologische modellen. Donkere materie, donkere energie en de oorsprong van hoog-energetische kostmische straling zijn enkele van de mysteries die kunnen worden opgelost met deze experimenten.Deze periode is ook cruciaal voor de toekomst van de Belgische onderzoeksgroepen:
- Een nieuwe generatie fysici, opgeleid in de vorige IAP periodes, begint een leidende rol te nemen in zowel het onderzoek als ook de strategische planning van samenwerkingsverbanden en strategie voor de toekomstige zoektochten: de meeste van onze onderzoeks-nodes hebben nieuwe managers, en twee zijn opnieuw geconfigureerd om optimaal gebruik te maken van de uitgebreide theoretische, fenomenologische en experimentele interactie rond de LHC. Deze nieuwe managers hebben al hun stempel kunnen drukken op de “future experiments” werkgroep van IAP VI, die trajecten bestudeerde voor toekomstige experimenten voor de Belgische teams – een belangrijke taak die ook in de toekomst met veel energie zal worden voortgezet.
- Parallel met vooraanstaand onderzoek voelde de gemeenschap ook de noodzaak voor samenwerking op het niveau van opleiding. Dit leidde tot een reeks initiatieven in de vorige netwerken, zoals een indrukwekkende lijst Master- en Doctoraat cursussen (in het Engels gedoceerd bij de verschillende instellingen) die leidt tot een aan zienlijke uitwisseling van studenten op Master-niveau, maar ook de meer traditionele zomerscholen en conferenties (zoals bij voorbeeld de Moriond-serie die speciale aandacht besteedt aan jonge wetenschappers). Het nieuwe netwerk zal deze activiteiten systematisch gaan implementeren en meer bekendheid geven.
- De geïnstalleerde structuur van een “IAP-raad”, verantwoordelijk voor alle vacatures op Doctoraal en Postdoc niveau, zorgt voor meer zichtbaarheid en coördinatie en creëert de omstandigheden om op zeer hoog niveau nieuwe aanstellingen te doen. In de exp-post evaluatie is deze structuur geprezen, en deze zal natuurlijk een rol blijven spelen in aanstellingen. De spontane en succesvolle installatie van “work package” coördinatoren in het vorige netwerk zal een prominente en officiële rol krijgen.
In de korte samenvatting hieronder wordt aandacht gegeven aan zowel de gecombineerde aanpak als de uitstekende onderzoeksvragen die binnen het programma worden bestudeerd:
- Theoriegroepen pogen de gekende fundamentele interacties in geünificeerde modellen te verenigen. Zowel “deductieve” als “inductieve” methoden worden gebruikt. De “deductieve” benadering, typisch voor de mathematische fysica, is gebaseerd op het gebruik van onderliggend veronderstelde symmetrieën om een elegante en boeiende model van de natuur voor te stellen “from first principles”. Deze modellen worden bepaald door de strenge beperkingen die door wiskundige consistentie worden geëist, zoals de controle van convergentie. Vanuit zeer algemene aannames (zoals bijvoorbeeld de snaartheorie, supergravitatie, of varianten van de algemene relativiteitstheorie) dient dan de waarneembare fysica te worden afgeleid, vaak met nieuwe aannames zoals bijvoorbeeld de topologische structuur van de gepostuleerde extra dimensies. Vooral de unificatie van de zwaartekracht met de andere krachten is een uitdaging in het moeilijke streven naar een allesomvattende quantumfysische theorie.
o De “inductieve” benadering gaat uit van opvallende experimentele feiten, zoals de onverwacht sterke onderdrukking van bepaalde processen, de massa en interferentie van deeltjes en beperkingen op de hoeveelheid donkere materie, voor de bouw van (meestal minder ambitieuze) unificatie-modellen, inclusief mogelijke uitbreidingen van het Standaardmodel.
- Beide theoretische methoden kunnen enkel gevalideerd worden door een gedetailleerde uitwerking van de experimentele en observationele consequenties van een model.
- Eén van de sleutelopdrachten van de LHC zal zijn om te verduidelijken op welke manier het Brout-Englert-Higgs mechanisme (dat in onze groepen ontstaan is en nodig is om electrozwakke interacties te unificeren) gerealiseerd is: zullen we één enkele fundamentele scalar vinden, een meer ingewikkelde structuur met donkere materie, gebonden toestanden of een nieuwe sterke interactie... ? In dit onderzoek moeten sterke interacties in beschouwing worden genomen. Deze zijn tegelijkertijd een studie-object door de wisselwerking met theoretische en experimentele benaderingen, en een achtergrond die zeer nauwkeurig moet in kaart worden gebracht om er de zwakke processen die belangrijk zijn uit te distilleren.
- De experimentele groepen werken in grote internationale collaboraties, gebruik makend van de meest krachtige versnellers of de meest recente detectiemethoden, aan de analyse van de gegevens die nodig zijn om deze theorieën te testen of te weerleggen. De Belgische LHC-teams hebben zich aangesloten bij de CMS-detector collaboratie, waar veel verschillende scenario’s worden onderzocht (aard van symmetriebreking, flavour-physics met gebruik van top quarks, directe zoektochten naar nieuwe niet-Standaardmodel deeltjes en extra dimensies). Flavour-physics bij het NA62 experiment, een resultaat van een uitbreiding van de vorige fase van het IAP, is ook in staat sterke grenzen te stellen aan potentiele nieuwe fysica modellen. Neutrinofysica wordt bestudeerd door het OPERA langeafstand experiment in de buurt van Rome, wat op CERN geproduceerde neutrino’s detecteert. In het astrofysische domein worden neutrino’s bekeken door het IceCube experiment, een kubieke kilometer detector in het Antarctische ijs, waar ook naar indirecte bewijzen voor donkere materie wordt gezocht. Hoog-energetische kosmische stralen worden bestudeerd door Telescope Array, IceCube en zijn uitbreidingen). Terwijl het instrumentatie deel van de experimentele activiteiten kan gebeuren met behulp van andere onderzoeksgelden (IISN, FWO), moet er een aanzienlijke inspanning in de interpretatie van gegevens worden verdergezet.
- Naast de directe verantwoordelijkheid voor de datacollectie en analyse bij deze experimenten, wordt ook data van andere experimenten (directe en indirecte donkere materie experimenten en satellietexperimenten) gebruikt voor andere fundamentele studies, in het bijzonder de deelname aan de interpretatie van de gegevens van het Planck satelliet experiment met betrekking tot de kosmische microgolf achtergrond.
Het uiteindelijke doel van dit voorstel is het verbeteren van het begrip van fundamentele interacties; hiervoor zijn de volgende vereisten essentieel:
- Extra middelen om het potentieel van groepen te verbeteren, vooral door de internationale uitwisseling van postdocs;
- Een versterking en aanscherping van de samenwerkingsverbanden tussen groepen;
- Een groot aantal jonge wetenschappers opleiden. Zowel uitmuntendheid in eigen vakgebied als een gedegen kennis van aangrenzende onderzoeksvelden, zoals die gedefinieerd in dit netwerk, stelt jonge wetenschappers in de gelegenheid om een belangrijke bijdrage te leveren aan het begrip van de fundamentele natuurkunde.
Onze buitenlandse partners zijn, zowel door hun excellentie in onderzoek en hun bijdrage in de gemeenschappelijke organisatie van internationale bijeenkomsten van zeer hoog niveau, gekozen ter ondersteuning en versterking van het werk van ons consortium.
