De strijd om de superversneller: Amerika tegen Europa

Drie jaar geleden werd op de grens tussen Frankrijk en Zwitserland een cirkelvormige onderaardse deeltjesversneller in gebruik genomen: de Large Electron Positron Collider (LEP). Met zijn omtrek van 27 kilometer is dit de grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Het is het paradepaardje van CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica in Genève, dat nu sinds vele jaren onbetwist wereldleider op dit gebied is.

Maar er staat bij het CERN alweer een nòg krachtiger versneller op stapel: de Large Hadron Collider (LHC). Verantwoordelijk voor het experimentele programma van dit project is de Nederlandse fysicus Walter Hoogland (52), sinds 1989 een van de drie onderzoeksdirecteuren van CERN. In de vernieuwde catacomben van het Trippenhuis, het gebouw van de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen in Amsterdam, formuleert hij zorgvuldig het belang van het LHC-project en de relatie tot de Amerikaanse tegenhanger: de Superconducting Super Collider (SSC).

Mini-Oerknal

Met deeltjesversnellers onderzoekt men de bouwstenen van de materie. Deeltjes, zoals elektronen en protonen of hun tegenhangers (positronen en antiprotonen), worden versneld in elektrische velden en in hun baan gehouden door magnetische velden. Laat men zulke deeltjes tegen elkaar botsen, dan ontstaat er een soort mini-Oerknal, een klein volume met een enorme energiedichtheid, waar vervolgens talloze andere deeltjes uit ontstaan. Uit zulke processen wordt afgeleid hoe deeltjes zijn opgebouwd en hoe de samenbindende krachten werken.

Hoe groter de energie van de botsende deeltjes, des te dieper zijn de niveaus die men kan blootleggen in de structuur van de materie. Vandaar dat de groei van onze kennis van de bouw der materie hand in hand is gegaan met de bouw van steeds krachtiger versnellers. Konden we zo'n tachtig jaar geleden nog niet veel "scherper' kijken dan op de schaal van atomen, nu is de grens verlegd naar het tienduizendste deel van de diameter van het proton.

Er werken bij CERN in Genève ruim 3500 mensen, waarvan een derde wetenschapper is. Daarnaast maken jaarlijks ruim vijfduizend fysici uit de 17 lidstaten en een nog groter aantal andere landen gebruik van de onderzoekfaciliteiten. Hoogland schat dat ongeveer de helft van alle hoge-energiefysici op aarde deelnemen aan experimenten op CERN. "De Verenigde Staten zijn, afgezien van onze lidstaten zelf, onze grootste cliënt. Voor de Amerikaanse deeltjesfysici is CERN na het Amerikaanse Fermilab het belangrijkste onderzoekslaboratorium ter wereld'.

De huidige experimenten met de grote LEP-versneller zijn onder andere gericht op het bestuderen van de eigenschappen van de Z- en W-deeltjes. Deze deeltjes zijn verantwoordelijk voor de werking van de zwakke kracht, één van de vier fundamentele krachten in de natuur. De zwakke kracht blijkt nauw verband te houden met de elektromagnetische kracht: bij zeer hoge energieën vloeien ze samen in één elektrozwakke kracht. Men verwacht dat bij nog hogere energieën een vergelijkbare unificatie optreedt met de overige twee krachten, eerst met de sterke kracht en uiteindelijk ook met de zwaartekracht.

Standaardmodel

De huidige kennis van de structuur der materie is samengevat in een theorie die het "Standaardmodel' van de materie wordt genoemd. Deze betreft de unificatie van de elektrozwakke en de zwakke kracht en gaat er van uit dat de bouwstenen van de materie bestaan uit een zestal quarks en een zestal leptonen, waarvan het elektron de meest bekende vertegenwoordiger is. Van de zes quarks moet er één, het top-quark, nog worden gevonden.

De belangrijkste open vraag in het "Standaardmodel' is hoe de elektrozwakke kracht gebroken wordt in zijn elektromagnetische en zijn zwakke deel. Er is daartoe een mechanisme voorgesteld, het Higgs-mechanisme, dat tevens een antwoord geeft op een andere fundamentele vraag: waarom hebben sommige deeltjes massa en andere niet? De belangrijkste manifestatie van het Higgs-mechanisme zou het Higgs-deeltje zijn, een nog niet ontdekt deeltje dat de "Graal' is voor de moderne deeltjesfysicus en de Nobelprijs-ambities sterk aanwakkert.

Momenteel worden de LEP-experimenten uitgevoerd bij een botsingsenergie van 110 giga-elektronvolt (giga = miljard). De energie wordt nu geleidelijk opgevoerd tot bijna 220 GeV. Maar dan, in 1994, is de grens bereikt. Hoewel LEP een indrukwekkende hoeveelheid nieuwe gegevens produceert, zouden die steeds duidelijker wijzen op het feit dat het "Standaardmodel' zijn grenzen heeft bereikt en dat de fundamentele vragen die het model oproept een botsingsenergie vereisen die een factor 10 groter is.

Tweede versnellerring

Bij het ontwerp van LEP is al rekening gehouden met de mogelijkheid om in de tunnel nog een tweede versnellerring te plaatsen, waarin met behulp van krachtige supergeleidende magneten protonen worden versneld. Met deze Large Hadron Collider (LHC) zou een botsingsenergie van 16 TeV (tera = duizend miljard) bereikt kunnen worden, een energiegebied waarin men mede op grond van de LEP-resultaten nieuwe verschijnselen verwacht: een "nieuwe fysica'. Men zou de situatie in het heelal kunnen nabootsen zoals die een miljoenste van een miljoenste seconde na de Oerknal bestond.

Tijdens een vergadering afgelopen december oordeelde de Raad van CERN unaniem over de LHC "als de juiste machine voor de ontwikkeling van de hoge-energiefysica en voor de toekomst van CERN'. De bouw van de LHC zou omgerekend ongeveer 2,4 miljard gulden kosten. Twintig procent zou moeten komen van niet-lidstaten, zoals Japan, Rusland en de Verenigde Staten.

Het Amerikaanse antwoord op de leidende rol van CERN en de brain drain van Amerikaanse fysici naar Europa, is de Superconducting Super Collider (SSC). Dit is een eveneens cirkelvormige versneller, met een omtrek van 87 kilometer, die bij Dallas onder de grond komt te liggen. Met dit instrument zou men net als bij de LHC protonen op protonen laten botsen, waarbij een energie van 40 TeV wordt bereikt en de LHC dus wordt overtroefd.

De bouwkosten van de SSCwerden aanvankelijk geschat op 8,3 miljard gulden, maar zijn inmiddels opgelopen tot 15,3 miljard gulden. Ook de Amerikanen zoeken naar steun uit het buitenland, maar tot nu toe met gering resultaat. Dat komt volgens Hoogland doordat de SSCeen veel te groot project is en de Amerikanen op "een weinig sophisticated manier naar die steun zijn gaan zoeken'.

Waar Hoogland zich bijzonder aan stoort is het feit dat tot 1989 de kwestie van internationale samenwerking bij de SSCnooit aan de orde was. De SSCis opgezet als een Amerikaans project, want de Verenigde Staten wilden de leiding terug die ze aan het CERN hadden verloren. "Pas op het moment dat duidelijk werd dat het project aanzienlijk duurder werd dan gepland en er van de kant van de politiek werd gezegd dat er financiële hulp uit het buitenland moest komen - pas op dat moment ging het verhaal van de internationale samenwerking op volle toeren draaien'.

Die samenwerking werd vervolgens niet gezocht door fysici uit Japan en Europa bij het project te betrekken, maar "door krachtig diplomatiek geschut in stelling te brengen'. Ministeriële teams werden naar Japan en de Europese hoofdsteden gestuurd, met een dwingende roep tot samenwerking. Hoogland: "Het is duidelijk dat je niet van twee walletjes kunt eten: van een nationaal project ter stimulering van het nationale ego en van een internationaal project dat getuigt van wetenschappelijke verbroedering'.

Steun in Japan

De LHC en de SSCzitten wat de financiering betreft in zekere zin aan elkaar vast. Niet alleen zoeken de Amerikanen financiële steun in Europa en de Europeanen in de Verenigde Staten, beide groepen zoeken ook steun in Japan. Hoogland: "Maar de Japanners maken niet zo graag een keuze. Het zal voor Japan moeilijk zijn om steun te geven aan de LHC als ze de SSChebben afgewezen. Het zou dus kunnen zijn dat het verkrijgen van een bijdrage voor de LHC gekoppeld is aan een bijdrage voor de SSC'.

Roy Schwitters, hoofd van het SSC-laboratorium, meent dat de SSCdoor zijn hogere energie de LHC zal overtroeven en de grootste kans op nieuwe ontdekkingen biedt. Maar zijn rivalen menen dat de LHC voldoende zal zijn toegerust om een kans op belangrijke ontdekkingen te maken, wanneer hij tenminste als eerste klaar is. Wat de LHC aan vermogen te kort komt, zou gecompenseerd worden door een hogere luminositeit en dus een groter aantal botsingen.

Bovendien zouden met de LHC niet alleen botsingen tussen protonen mogelijk zijn, maar ook tussen protonen en elektronen (geleverd door de huidige LEP) en tussen ionen. De LHC zou daardoor "de meest veelzijdige versneller zijn waarover deeltjesfysici ooit konden beschikken', aldus CERN-directeur Carlo Rubbia.

Hoogland vindt het SSC-project een orde van grootte te groot. "Wat CERN voorstelt is een project in de orde van een miljard (dollar), dus in de orde van waar we in het verleden mee werkten. De SSCdaarentegen kost veel meer dan wat er vroeger op dit gebied werd uitgegeven. En die hoge kosten werken ook door in de bijdragen die men van buitenlandse partners verwacht'.

"Het voedt de achterdocht tegen zulke big science projecten wanneer men dit soort bedragen hoort', aldus Hoogland. De enorme kosten van de SSCbrengen ook het voortbestaan van de kleinere versneller-laboratoria in de Verenigde Staten in gevaar en dreigen de SSCnaar een monopoliepositie te sturen. "We scheppen een monster', zo merkte Mel Schwartz van het Brookhaven National Laboratory onlangs nog op.

Een ander probleem hangt samen met de lokatie van de SSC. "Ieder zinnig mens zou de SSCbij het Fermilab hebben geplaatst', aldus Hoogland. "De politiek besliste echter dat hij in Texas moest komen. Nu moeten de Amerikanen in de heuvels rond Dallas een volkomen nieuw laboratorium opzetten en de daarvoor benodigde expertise binnenhalen. Dit probleem bestaat bij de LHC niet, omdat men daar gebruik kan maken van bestaande faciliteiten en er in de loop der jaren bij het CERN een grote crew is ontstaan die geleidelijk bij het LHC-project kan worden ingezet'.

Volgens SSC-baas Schwitters zou zijn machine al in 1999 met de eerste experimenten kunnen beginnen, maar aan deze kant van de Atlantische Oceaan geloven weinigen dat dit haalbaar is. Er zouden nog veel te veel problemen zijn wat betreft de financiering, de planning en het management. Van de LHC verwacht men daarentegen dat deze wèl in dat jaar gereed kan zijn. Maar dan zullen de lidstaten niet veel later dan eind 1993 het groene licht voor de bouw moeten geven.

CERN hoopt de LHC te kunnen bouwen binnen een constant blijvend jaarbudget. Maar behalve de versneller zelf moeten in de komende acht jaar ook een tweetal grote detectoren worden gebouwd. In maart dienden vier proto-collaboraties van fysici tijdens een bijeenkomst in Evian-les-Bains de eerste voorstellen daarvoor in. Aan die instrumenten hangt een prijskaartje van enkele honderden miljoenen guldens en die bedragen zullen voor een belangrijk deel uit de lidstaten (en niet-lidstaten) moeten komen. "En sommige landen hebben een wat geringere flexibiliteit in het bespreekbaar maken van de daarvoor benodigde financiële middelen', zo formuleert Hoogland voorzichtig.

Lineaire versneller

Zal met de LHC en/of SSChet einde van de ontwikkeling van versnellers zijn bereikt? Er zijn al ideeën over een nòg krachtiger machine, maar dat zal geen cirkelvormige versneller kunnen zijn (omdat die te veel energie vreet), maar een lineaire versneller moeten worden. Omdat het dan om éénmalige ontmoetingen tussen deeltjes gaat, moeten de bundels uiterst dun zijn en uiterst precies op elkaar worden gericht. Deze problemen, en die van de energie, vereisen nog veel onderzoek.

Hoogland: "Wat er op de lange termijn gaat gebeuren, weet ik niet. Je kunt je afvragen of projecten van zo'n 10 miljard zelfs op mondiale schaal haalbaar zijn. Er wordt nu bij een aantal grote projecten, zoals bij kernfusie en ruimtevaart, gesproken in termen van mondiale samenwerking. Maar de vraag is in hoeverre dat in de praktijk uitvoerbaar is. Er blijft altijd een groot verschil tussen ideaal en praktijk'.

"Er wordt al twintig jaar gesproken over het feit dat de volgende versneller alleen maar op wereldschaal gebouwd zal kunnen worden. Tot nu toe is dat nog niet gebeurd omdat je daarvoor, afgezien van alle politieke overwegingen, ook een gemeenschap van mensen nodig hebt die niet alleen overtuigd is van de noodzaak, maar ook van een voldoende gedefinieerde en strakke organisatie om dat doel te kunnen nastreven'.

Op het CERN identificeren de mensen zich tot op zekere hoogte met de organisatie, aldus Hoogland. "Op een bepaald moment wordt er in de gemeenschap van hoge-energiefysici een bepaalde consensus bereikt, bijvoorbeeld dat dit het juiste project voor de toekomst is, en daardoor ontstaat er ook loyaliteit naar de organisatie toe, waardoor het mogelijk wordt om dit met voldoende kracht te bepleiten in de nationale gemeenschappen'.

"Je kunt je natuurlijk voorstellen dat dit proces op nog grotere, mondiale schaal ook werkt. Maar het is moeilijker, minder vanzelfsprekend, door de culturele verschillen en de veel grotere geografische afstanden. Is de EG bereid op een bepaald moment een bedrag van enkele miljarden, dat ze nu besteedt aan een project in CERN, te offeren voor een mondiale machine? Misschien, maar dan moeten de argumenten daarvoor wel zeer sterk zijn. Er blijft toch zoiets als een Europese, een Amerikaanse en een Japanse identiteit'.