Dertig meter onder hamburg, Nieuwe ring voor tweede Europese centrum voor deeltjesonderzoek

geheten (van Hadron Elektron Ring Anlage), bevindt zich in een zes kilometer lange, cirkelvormige tunnel onder de stad. Hij behoort tot de grootste en modernste deeltjesversnellers ter wereld en is de eerste en voor lange tijd enige waarin men elektronen en protonen, de twee belangrijkste bouwstenen van de materie, met hoge energie op elkaar kan laten botsen. Het doel daarvan is vooral de bouw van het proton nog gedetailleerder te doorgronden dan tot nu toe mogelijk was.

De versneller werd symbolisch in gebruik genomen in een enorme feesttent op het DESY-terrein middels een Knopfdruck door Heinz Riesenhuber, de Duitse minister van onderzoek en technologie. Tijdens de openingsceremonie werden het internationale karakter van zowel de versneller als van de organisatie DESY benadrukt. Aan de bouw van de versneller en zijn twee enorme meetopstellingen is meegewerkt door instituten en bedrijven uit zestien landen, waaronder ook Nederland. Onderzoekers uit al die landen zullen straks met het instrument kunnen gaan werken.

Onderzoek naar de bouw van de materie zit al geruime tijd in een stroomversnelling. In het begin van de jaren vijftig beseften fysici dat er voor het zoeken naar de allerkleinste bouwstenen steeds krachtiger en dus grotere deeltjesversnellers nodig waren en dat die alleen door samenwerking op nationaal en internationaal niveau gebouwd zouden kunnen worden. Zo werd in 1954 in Geneve door 12 landen de Europese organisatie voor kernonderzoek (CERN) opgericht (waarvan nu 14 landen lid zijn). Enkele van de daarbij aangesloten landen, waaronder de Bondsrepubliek, richtten daarop als aanvulling in het eigen land kleinere laboratoria op.

Ringvormige vacuumbuis

DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) dankt haar naam aan de eerste deeltjesversneller die in 1964 op haar terrein in Hamburg-Bahrenfeld in gebruik werd genomen. Hij was van het synchrotron-type, dat enkele jaren eerder ontwikkeld was. In een ringvormige vacuumbuis met een omtrek van 317 meter werden elektronen met behulp van elektrische velden versneld en met behulp van elektromagnetische velden in hun cirkelbaan gehouden. Met een energie van 6 GeV (giga-elektronvolt) werden ze vervolgens tegen stilstaande atoomkernen gesmeten.

Uit de verstrooiing van de elektronen kon de structuur van die kernen worden bestudeerd. Zo kreeg men met DESY-I onder andere de eerste aanwijzingen dat het proton niet zoals het elektron puntvormig is, maar een dieperliggende structuur moet hebben. De ontdekking van de quarks (als bouwstenen van het proton) stond voor de deur, maar 'we waren in die tijd eenvoudigweg niet op zo'n ontdekking voorbereid, niet alleen vanwege onze experimentele uitrusting maar ook wat ons inzicht in de fysische wereld betreft', aldus onderzoeksdirecteur Paul Soding.

Tien jaar later, in 1974, werd een tweede versneller in gebruik genomen, DORIS geheten (van Doppel Ring Speicher Schema). Met deze machine, die een omtrek van 288 meter had, werden elektronen en hun antideeltjes (positronen) in afzonderlijke vacuumbuizen in tegengestelde richtingen versneld en op twee punten met elkaar in botsing gebracht. De deeltjesenergie bedroeg 5,6 GeV, maar de totale botsingsenergie was tweemaal zo groot. Het onderzoek met DORIS leidde, tezamen met dat op de Stanford-universiteit in de Verenigde Staten, tot de doorbraak van de tegenwoordig algemeen geaccepteerde theorie van de quarks.

Petra

De volgende elektronen-positronenversneller, PETRA geheten (Positron Electron Tandem Ring Accelerator), in 1978 voltooid, werkte volgens hetzelfde principe. Met zijn omtrek van 2,3 km omsloot hij het gehele DESY-terrein. PETRA was de eerste van de grote, moderne 'opslagringen' (in het Duits Speicherringen), waarin de in 'pakketjes' geconcentreerde deeltjes urenlang in het rond kunnen cirkelen, om telkens op enkele punten met elkaar in botsing te kunnen komen. De energie van de PETRA-deeltjes bedroeg 23,5 GeV.

Met PETRA konden in 1979 voor het eerst de 'dragers' van de bindingskrachten tussen quarks worden aangetoond, de zogeheten gluonen. Ook kon worden aangetoond dat leptonen (die tezamen met quarks de meest fundamentele bouwstenen van de materie vormen) tot op de meetgrens van 10- cm puntvormig ofwel structuurloos zijn. En tenslotte konden de metingen met PETRA ook de theorie bevestigen dat de elektromagnetische kracht en de zwakke wisselwerking, twee van de vier fundamentele krachten in de natuur, in feite dezelfde oorsprong hebben: de elektrozwakke kracht.

PETRA was acht jaar lang de krachtigste elektronen-positronenbotser ter wereld. Hij stimuleerde de ontwikkeling van nog weer krachtiger versnellers in zowel Europa (bij CERN in Geneve), als in de Verenigde Staten (Stanford) en Japan (Tsukuba). Hij droeg er toe bij dat Europa zijn leidende rol op het gebied van de deeltjesfysica, die na de Tweede Wereldoorlog door de Verenigde Staten was overgenomen, weer begon terug te krijgen. In 1986 werd PETRA buiten gebruik gesteld, om te kunnen worden omgebouwd tot voorversneller voor zijn opvolger: de nu in gebruik genomen HERA.

HERA staat voor Hadron Elektron Ring Anlage, waarbij 'hadron' slaat op een groep van elementaire deeltjes waartoe ook het proton behoort. De keuze om zo'n botsingsring voor protonen en elektronen te bouwen werd in 1979 genomen in overleg met het European Committee on Futural Accelerators (ECFA), een commissie die de bouw van deeltjesversnellers in internationaal verband coordineert. 'Toen het CERN had besloten als volgende grote versneller een botsingsring voor elektronen en positronen te bouwen (de Large Electron Positron collider, met een omtrek van 27 km), besloot men bij DESY een botser voor elektronen en protonen te bouwen', aldus DESYdirecteur Volker Soergel. 'We hebben altijd geprobeerd onze programma's en machines zodanig te kiezen, dat zij uniek in de wereld zijn en de activiteiten op andere centra aanvullen'.

In 1984 gaven de Bondsregering en de stad Hamburg het groene licht voor het project, op voorwaarde echter dat ook andere landen er aan zouden deelnemen. Buiten Duitsland hebben twaalf landen aan de bouw van HERA meegewerkt, hetzij door de levering van componenten, hetzij door het zenden van specialisten. Dit is een unicum bij de bouw van deeltjesversnellers en weerspiegelt de grote interesse van de wetenschap voor het project. Van de 1010 miljoen DM die de bouw van HERA heeft gekost is ongeveer 15 procent betaald door niet-Duitse landen. Van het overige deel is 72% gefinancierd door het Bondsministerie voor onderzoek en technologie en 13% door de Freie und Hansestadt Hamburg. Nederland heeft 15 miljoen gulden in HERA geinvesteerd.

Vier cirkelbogen

HERA bevindt zich in een tunnel van 5,2 meter diameter, 10 tot 30 meter onder het aardoppervlak. De tunnel bestaat uit vier cirkelbogen, met daartussen rechte trajecten waarin zich een grote hal bevindt. De totale omtrek bedraagt 6336 meter. Met de bouw van de hallen werd in 1984 begonnen, met het boren van de tunnel in 1985, dit alles onder leiding van hetzelfde Tiefbauamt dat ook de Hamburgse ondergrondse heeft aangelegd. De tunnel omcirkelt een park en een begraafplaats en loopt onder huizen, wegen, een drafrenbaan en een stadion door. Uitvoerige voorlichtingscampagnes en gesprekken tijdens de aanleg van de tunnel hebben er volgens DESY-directeur Soergel toe geleid dat de mensen de aanwezigheid van zo'n merkwaardige 'ondergrondse' onder hun huizen volledig hebben geaccepteerd.

In feite bestaat HERA uit twee, boven elkaar geplaatste versnellers. In de onderste cirkelen elektronen, in de vorm van maximaal 220 naaldvormige pakketjes van elk 100 miljard elektronen. In de bovenste cirkelen in tegengestelde richting de protonen, die op eenzelfde manier in pakketjes zijn geconcentreerd. De deeltjes hebben een snelheid van bijna die van het licht, zodat ze iedere seconde 50.000 rondjes maken. Op twee (later misschien drie of vier) punten wordt de elektronenbundel door de protonenbundel geleid. Ondanks de grote aantallen deeltjes is de kans op een botsing echter uiterst klein. Daarom zal men de deeltjes straks urenlang laten rondcirkelen, om voldoende events te kunnen registreren. Na die tijd worden de opslagringen weer met nieuwe deeltjes 'gevuld'.

De elektronen krijgen een energie van 30 GeV, de protonen van 820 GeV. Om deze enorme energieen te bereiken worden vrijwel alle bestaande versnellers van DESY (op DORIS na) als voorversnellers gebruikt. Doordat de deeltjes gedwongen worden cirkelbanen te beschrijven, verliezen ze energie. Via hoogfrequente elektromagnetische golven wordt er daarom op bepaalde punten weer energie aan de deeltjes toegevoegd. Net als een surfer op zijn plank op een golf worden de deeltjes door zulke golven 'voortgeduwd'.

Om de deeltjes een kromme baan te laten beschrijven, zijn er krachtige magnetische velden nodig. De lichte elektronen kunnen nog wel met gewone elektromagneten worden afgebogen, maar voor de 1800 maal zo zware protonen lukt dit alleen met supergeleidende magneten: deze kunnen bij eenzelfde stroomverbruik veel krachtiger velden produceren. Gebaseerd op de in de Verenigde Staten (bij het Fermilab en het Brookhaven National Laboratory) opgedane ervaringen is er bij DESY een geheel nieuw type supergeleidende magneet ontwikkeld, dat ook bij toekomstige projecten gebruikt zal kunnen worden. Bij Holec in Nederland werden de bijna 700 supergeleidende correctiemagneten gebouwd, die op het NIKHEF (Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-Energie Fysica) waren ontwikkeld.

Grootste koelkast

De supergeleidende magneten werken bij een temperatuur van 4 Kelvin (269 graden onder nul) en moeten dus worden gekoeld met vloeibare helium. Hiervoor is bij DESY een enorme cryogene installatie gebouwd, 'de grootste koelkast in Europa'. Hij bestaat uit drie onafhankelijke, identieke eenheden, waarvan er twee al voor de koeling toereikend zijn. In het systeem circuleert 13 ton helium, dat in expansiemachines vloeibaar wordt gemaakt en bij kamertemperatuur in 15 tanks kan worden opgeslagen.

In de noord- en de zuidhal van de HERA-tunnel wordt momenteel gewerkt aan twee enorme meetopstellingen, H1 en ZEUS geheten, waarmee straks de resultaten van botsingen gemeten worden. Het zijn universeeldetectoren: zij registreren alle deeltjes die er ontstaan. Zij zijn daartoe van binnen naar buiten opgebouwd uit verschillende subdetectoren, die de soorten, richtingen, snelheden en energieen van deeltjes meten. Ook in deze meetopstellingen, die 12 bij 12 bij 20 meter meten en ruwweg 3000 ton wegen, wordt gebruikt gemaakt van supergeleidende magneten. De opstellingen bevinden zich nu nog in een 'parkeerpositie' naast de versneller; na voltooiing (midden 1991) worden ze via rails in de versnellerring geschoven.

Aan het ontwerp en de bouw van de twee meetopstellingen is meegewerkt door ongeveer vijfhonderd fysici uit zestien landen, die twee samenwerkingsgroepen vormen en straks ook gezamenlijk metingen zullen verrichten. Het NIKHEF in Amsterdam heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan het ontwerp en de bouw van de caloriemeter, het hart van de ZEUS-detector, evenals aan het data-uitleessysteem van dit instrument.

Het onderzoek met HERA zal zich vooral richten op de eigenschappen van quarks, de bouwstenen van protonen en neutronen, die op hun beurt tezamen met de elektronen de bouwstenen van alle atomen vormen. Door de zeer hoge botsingsenergie kunnen de kleine, puntvormige elektronen 'diep' in een proton doordringen en quarks raken. Uit de resultaten van die botsingen hoopt men dan te kunnen afleiden hoe de quarks (die overigens nooit alleen voorkomen, maar altijd in een combinatie van twee of drie exemplaren) zich in een proton gedragen. Ook de krachten die er tussen quarks werken en door de gluonen worden overgebracht, kunnen op die manier beter worden bestudeerd.

Met HERA hoopt men ook te kunnen ontdekken of de zes soorten quarks die men nu kent tezamen met de eveneens zes verschillende leptonen (waartoe het elektron en het neutrino behoort), inderdaad de allerkleinste bouwstenen van de materie vormen, zoals fysici nu denken, of dat ook zij weer uit kleinere deeltjes zijn samengesteld. Toen de Duitse filosoof en fysicus Carl Friedrich von Weizacker (familie van de Duitse Bondspresident) meer dan twintig jaar geleden het bestaan van zulke deeltjes, die hij Ur noemde, suggereerde, werd daar door zijn collega's heftig tegen geprotesteerd, maar nu is men er toch wel nieuwsgierig naar geworden.

In principe zouden in de toekomst met HERA ook zwaardere deeltjes kunnen worden versneld, zoals deuteronen (zware waterstofkernen) en heliumkernen, zodat men ook elektronen in neutronen kan laten doordringen. Bij botsingen zouden ook geheel nieuwe deeltjes kunnen worden gevormd, waarvan het bestaan nu nog onbekend is. En natuurlijk zou het prachtig zijn wanneer eindelijk ook het zesde deeltje in de familie van de quarks zou worden ontdekt. Het bestaan van dit deeltje (dat alvast het top-quark wordt genoemd) wordt vermoed, maar het moet nog worden aangetoond.

Het is met dit soort quark-onderzoek, twintig jaar geleden verricht, dat drie fysici afgelopen oktober een Nobelprijs voor natuurkunde kregen. Het zou voor DESY natuurlijk een hele eer zijn wanneer nu door het onderzoek met HERA ook eens zo'n prijs in de wacht wordt gesleept. Maar de concurrentie op het gebied van de deeltjesfysica is groot, want ook onderzoekers van het CERN en in de Verenigde Staten en Japan zitten in de race.

DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) werd op 18 december 1959 officieel als stichting opgericht. Doel was het bevorderen van fundamenteel onderzoek op het gebied van de deeltjesfysica en van het wetenschappelijk en technisch onderzoek dat hiermee samenhangt. Hiertoe zouden onderzoekers aan universiteiten en andere onderzoeksinstellingen grote deeltjesversnellers en andere apparatuur ter beschikking moeten worden gesteld waarvan de bouw en exploitatie de krachten van de afzonderlijke instituten te boven gaan.

Momenteel is DESY in Duitsland de leidende organisatie op het gebied van deeltjesfysica en op het Europese laboratorium voor kernonderzoek (CERN) in Geneve na het grootste in Europa. DESY heeft een jaarbudget van omgerekend ongeveer 285 miljoen gulden (CERN circa 1 miljard gulden), waarvan 90% afkomstig is van het Bondsministerie voor onderzoek en technologie en 10% van de stad Hamburg. Dezelfde verhouding wordt overigens gehanteerd bij de financiering van de andere grote onderzoeksinstellingen in Duitsland.

Bij DESY werken ongeveer 1300 mensen, waaronder ongeveer 300 wetenschappers (bij CERN 3500 resp. 1100). Een groot deel van hen houdt zich bezig met de ontwikkeling, bouw en exploitatie van versnellers. Daarnaast beschikt DESY over gespecialiseerde ontwikkelingslaboratoria, waarin zeer nauw met de industrie wordt samengewerkt, bijvoorbeeld op het gebied van de supergeleidende magneten, hoogfrequenttechniek, vacuumtechniek, cryogene techniek, elektronica en dataverwerking.

DESY-directeur Soergel is trots op het internationale karakter van zijn organisatie: 'het resultaat van de vooruitziende onderzoekspolitiek van de federale en de lokale overheid'. In totaal werken er op het gebied van de deeltjesexperimenten 700 fysici, waarvan er 500 afkomstig zijn uit het buitenland. Inclusief Duitsland betreft het hier 85 instituten uit in totaal 17 landen. De onderzoekers uit Nederland zijn vooral afkomstig van het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-Energie Fysica (NIKHEF) in Amsterdam.

Elektronen die in een synchrotron rondcirkelen zenden synchrotronstraling uit: straling uit alle golflengten tussen het infrarood en het rontgengebied. De belangstelling voor onderzoek met deze straling is in de afgelopen jaren wereldwijd sterk toegenomen. Vele experimenten zouden zonder het gebruik van deze straling niet eens mogelijk zijn. Zo werden er bij DESY de eerste experimenten op het gebied van de rontgenlithografie mee gedaan, een techniek die van groot belang is bij het aanbrengen van steeds meer schakelingen op steeds kleinere computerchips.

Speciaal voor het werken met synchrotronstraling is op DESY het HASYLAB opgericht (Hamburger Synchrotron Stralingslabor). Aan de onderzoekingen met synchrotronstraling nemen jaarlijks duizend gastwetenschappers uit 130 instituten uit 25 landen deel. Het onderzoek ligt vooral op het gebied van de vaste stof- en de oppervlaktefysica, kristallografie, chemie, biologie en geneeskunde. In de afgelopen jaren hebben onder andere onderzoekers van Shell, DSM, de TU Eindhoven en de universiteit van Groningen in HASYLAB gewerkt. Het Europese laboratorium voor moleculaire biologie (hoofdzetel in Heidelberg) heeft zelfs een afzonderlijk laboratorium op het DESY-terrein.