Opgejaagde deeltjes; LINEAIRE VERSNELLERS MOETEN GRENZEN VAN DEELTJESONDERZOEK VERLEGGEN

Cirkelvormige deeltjesversnellers hebben de grens van hun mogelijkheden bereikt. Daarom is een nieuwe generatie, kaarsrechte versnellers in aanbouw. Daarin moeten de deeltjes ongekend hoge botsingsenergieen bereiken.

ONGEVEER ZEVENTIG kilometer ten noorden van Hamburg ligt het Noord-Oostzeekanaal, dat de Duitse deelstaat Sleeswijk-Holstein in tweeen snijdt. 'Daar ligt de natuurlijke grens voor de versneller die we willen bouwen', zegt Martin Leenen, plaatsvervangend leider van de TESLA Test Facility van het Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg. Bij DESY wordt de proefopstelling gebouwd voor een 33 kilometer lange ondergrondse versneller. Als dit project - in 2000 of 2001 - het groene licht krijgt, zal bij Hamburg de eerste supergeleidende lineaire versneller ter wereld worden aangelegd.

DESY, opgericht in december 1959, dankt haar naam aan de eerste deeltjesversneller die in 1964 op haar terrein in Hamburg-Bahrenfeld in gebruik werd genomen. In 1974 verscheen DORIS (Doppel Ring Speicher Schema), in 1978 PETRA (Positron Electron Tandem Ring Accelerator) en in 1990 HERA (Hadron Elektron Ring Anlage). Al deze versnellers zijn synchrotrons, waarin deeltjes worden gedwongen cirkelvormige banen te beschrijven. In DORIS en PETRA worden elektronen en positronen op elkaar geschoten en in HERA, die met zijn omtrek van 6,3 kilometer DESY's grootste is, elektronen en protonen.

Elektronen en positronen zenden onder invloed van deze dwang synchrotronstraling uit die een deel van de toegevoerde energie weer verloren doet gaan. In een ringvormige versneller nemen deze verliezen toe met de vierde macht van de energie van de deeltjes. 'Deze factor kan weliswaar door het vergroten van de ring worden gereduceerd, maar de bouwkosten van zo'n versneller blijven dan altijd nog met het kwadraat van de energie toenemen', legt Leenen uit. Zo gaat bij de Large Electron Positron-versneller (LEP) van het Europese centrum voor deeltjesonderzoek (CERN) in Geneve bij een botsingsenergie van 180 GeV zo'n 30 Megawatt aan straling verloren.

ONREALISTISCH

Het is derhalve onrealistisch om een cirkelvormige versneller te bouwen voor elektronen en positronen die botsingsenergieen groter dan 200 GeV (giga-elektronvolt) genereren. En daarom zal de LEP waarschijnlijk de grootste cirkelvormige elektronenversneller blijven die ooit is gebouwd. Momenteel wordt in vele landen onderzoek gedaan naar een nieuwe generatie versnellers die kaarsrecht zijn en botsingsenergieen rond de 1000 GeV, ofwel 1 TeV (tera-elektronvolt) moeten kunnen genereren. De 3 km lange Stanford Linear Collider, die in 1989 in Stanford in gebruik kwam, heeft laten zien dat dit lineaire concept werkt.

In de tunnel van de LEP wordt inmiddels een Europese versneller gebouwd, de Large Hadron Collider (LHC), die vanaf 2005 een energie van 12 tot 14 TeV moet gaan leveren. 'Deze hoge energie is te realiseren doordat in de LHC wordt gewerkt met protonen, deeltjes die veel zwaarder zijn dan elektronen en bovendien tijdens hun cirkelbeweging geen straling uitzenden', zegt Leenen. 'De annihilatieprocessen zijn in dat geval echter zeer complex en dus moeilijk te interpreteren.'

Volgens Leenen zijn elektron-positron-botsingen zeer aantrekkelijk, omdat zij zo'n zuivere eindtoestand opleveren. 'De puntvormige deeltjes creeren tijdens het annihilatieproces een toestand van zuivere energie, waaruit nieuwe deeltjes of deeltjesbundels ontstaan. Die processen zijn in principe veel directer en eenvoudiger te bestuderen daar zij vrij zijn van storende neveneffecten. Ligt de kracht van de LHC in het ontdekken van zware deeltjes, die van elektron-positron-botsers ligt in het heel nauwkeurig meten van de eigenschappen van deeltjes' aldus de fysicus.

Wereldwijd lopen verscheidene projecten voor de ontwikkeling van lineaire elektron-positron-versnellers met een botsingsenergie van 500 tot 1000 GeV. Dat zijn de TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator (TESLA) van DESY, de Japan Linear Collider (JLC) van het KEK-laboratorium in Tsukuba (Japan), de Next Linear Collider (NLC) van het Stanford Linear Accelerator Center in de Verenigde Staten, de Compact Linear Collider (CLIC) van het CERN in Geneve en de Very Large Electron-Positron Particle accelerator (VLEPP) van het Budker Instituut voor Kernfysica in Novosibirsk. De lengte van deze versnellers loopt uiteen van 10 kilometer (VLEPP) tot 33 kilometer (TESLA).

CRYOMODULE

Bij DESY wordt nu door een internationale onderzoeksgroep van zo'n 25 instituten uit acht landen een testopstelling gebouwd de TESLA Test Facility, die moet bewijzen dat het eerste doel - een botsingsenergie van 500 GeV - haalbaar is. Het volgende doel is een energie van 1 TeV of hoger, al dan niet door verlenging van de versneller richting Noord-Oostzeekanaal. TESLA zal worden gebouwd in een 33 kilometer lange tunnel, 15 tot 30 meter onder de grond, die vanaf DESY bijna pal noordwaarts Sleeswijk-Holstein in loopt. In de tunnel komen in feite twee versnellers van elk 15 kilometer lengte: een voor elektronen en een voor positronen. Deze deeltjes worden vanaf de uiteinden van de tunnel naar het midden toe versneld, waar ze op elkaar botsen. Langs het traject zijn zeven installaties voor vloeibaar helium gepland. Bij het landelijke dorpje Ellerhoop - nu alleen bekend vanwege zijn arboretum met meer dan 2000 soorten - komen de laboratoria met detectoren waar de resultaten van de botsingen worden bestudeerd.

Het onderzoek bij DESY concentreert zich nu vooral op de holle, supergeleidende resonatoren van niobium, die met supervloeibaar helium gekoeld worden tot 2 graden boven het absolute nulpunt. Een zo'n cavity is een meter lang en bestaat uit negen afgeplat-bolvormige cellen. De hierin binnengevoerde elektromagnetische velden dragen hun energie op een frequentie van 1,3 GHz over aan de elektronen en positronen. Acht van zulke cavities vormen tezamen een 'cryomodule' van twaalf meter lang. In totaal moeten er voor TESLA ruim 19.000 resonatoren worden gemaakt.

De eerste cryomodule werd vorig jaar in de TESLA-testfaciliteit beproefd. De elektronen kunnen daar nu worden opgezwiept tot een energie van 130 MeV, wat een versnellingsgradient van 16,7 miljoen volt per meter betekent. Dat is een wereldrecord, omdat tot voor kort met deze techniek gradienten van slechts 5 tot 8 MV/meter werden bereikt. Hoe hoger deze waarde, des te minder lang hoeft een versneller te zijn om een bepaalde energie te bereiken. Omgekeerd betekent een hogere gradient bij een eenmaal vastgestelde lengte een hogere botsingsenergie.

Een ander belangrijk doel is het creeren van extreem dunne deeltjesbundels, die uiterst precies op elkaar moeten worden gericht om een zo groot mogelijk aantal botsingen tot stand te brengen. Bij een cirkelvormige versneller heeft ieder deeltje na iedere omloop weer een kans om tegen een tegemoetkomend deeltje te botsen, maar bij een lineaire versneller is er maar een kans. In de afgelopen jaren zijn daarom geheel nieuwe technieken ontwikkeld om - met behulp van magnetische elementen - elektronenbundels 'samen te knijpen' en exact te positioneren, waarbij tevens voor minieme grondbewegingen wordt gecompenseerd.

Experimenten met de Final Focus Test Beam te Stanford laten zien dat botsingsvlekjes van 60 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) diameter kunnen worden gecreeerd, 'hetgeen de hoop wettigt dat in de toekomst het gewenste doel kan worden bereikt' aldus Leenen. Directe metingen aan de bundels zijn niet mogelijk doordat de intense energie elk materiaal op zijn pad verbrandt. Daarom maken de onderzoekers gebruik van de invloed van de bundels op gasstraaltjes, op het elektromagnetische veld van een naburige draad of op laserlicht.

RONTGENSTRALING

De TESLA-versneller zal niet alleen worden gebruikt voor deeltjesonderzoek, maar ook voor opwekking van rontgenstraling. De versnelde elektronen worden daartoe door een lange magneet met snel wisselende veldrichting geleid (een ondulator), waardoor zij rontgenstraling uitzenden. De wisselwerking tussen elektronen en door hen opgewekte straling veroorzaakt een lasereffect, dat de straling zeer coherent maakt en zeer sterk bundelt. Bovendien kan de golflengte van deze 'vrije-elektronenlaser' (FEL) door het veranderen van de energie van de elektronen of het magnetische veld naar believen worden gevarieerd.

De intensiteit van de straling van de TESLA-rontgenlaser - de eerste in zijn soort ter wereld - zal miljarden maal zo hoog zijn als die van bijvoorbeeld de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble of de SPring8 in Japan. 'Hij zal daardoor kunnen worden gebruikt voor het op atomair en moleculair niveau filmen van processen die zich afspelen op tijdschalen van femtoseconden', zegt FEL-onderzoeker Josef Feldhaus. 'Bij deze superkorte tijdschalen zijn de thermische bewegingen van de atomen als het ware bevroren en door de hoge energie kunnen dan in een keer allerlei parameters tegelijk worden gemeten.'

Voordat deze enorme sprong voorwaarts kan worden gemaakt, moet de techniek echter grondig worden getest. Ook dat gebeurt met de nu in opbouw zijnde TESLA-testfaciliteit. Deze hoopt men te kunnen uitbouwen tot een 300 meter lange Rontgenlaser-Mikroskop met een energie van 1 GeV, die vanaf 2003 ter beschikking staat voor wetenschappers. Mocht de 'echte' TESLA-versneller onverhoopt niet het groene licht krijgen, dan heeft DESY er toch in een belangrijk instrument bijgekregen. Jaarlijks verrichten op DESY duizenden gastwetenschappers onderzoek met behulp van de synchrotronstraling van de daar aanwezige versnellers.

In het jaar 2000 zal in het kader van de Wereldtentoonstelling in Hannover bij DESY een omvangrijke expositie rond deze rontgenlaser worden georganiseerd. Dat werd op 26 oktober middels een verdrag tussen DESY en EXPO 2000 Hannover GmbH officieel vastgelegd. Albrecht Wagner onderzoeksdirecteur van DESY, geeft volmondig toe 'dat deze expositie ook goed is voor het enthousiast maken van politici voor de bouw van de uiteindelijke TESLA-versneller'. In het vorig jaar verschenen Conceptual Design Report werden nog twee locaties voor TESLA overwogen: een bij DESY en een bij het Amerikaanse Fermilab. Maar volgens Wagner bestaat er nu 'geen enkele twijfel meer over de plaats waar TESLA zal worden gebouwd: hier, in het noorden van Duitsland'.

CRITICI

Begin dit jaar kwamen uit de Verenigde Staten kritische geluiden toen bekend werd dat DESY de lokale bevolking al over haar plannen had gepolst - en zeer positieve reacties had ontvangen. De critici vonden dat in dit stadium van het project de kwestie van de locatie nog niet aan de orde was, 'omdat ieder deelnemend laboratorium de versneller natuurlijk wel wil hebben'.

Wagner wuift deze kritiek echter weg. 'De Amerikanen hebben wat dit betreft een andere cultuur', zegt hij. 'Zij menen dat het haalbaarheidsonderzoek onafhankelijk van de mogelijke locatie moet plaatsvinden. Wij vinden echter dat de lokale omstandigheden al wel moeten worden meegewogen.'

Als TESLA straks - in het jaar 2000 of 2001 - het groene licht zou krijgen, zal in het noorden van Duitsland een belangrijk internationaal instituut voor zowel fundamenteel als toegepast wetenschappelijk onderzoek ontstaan. Het is volgens Wagner niet de bedoeling dat de TESLA-faciliteit een soort tweede CERN wordt: 'Wij denken eerder aan een tijdelijke, internationale GmbH [besloten vennootschap] waarin DESY ook een aandeel zal hebben.' Afgelopen maart werd door vertegenwoordigers van de stad(staat) Hamburg en de naburige deelstaat Sleeswijk-Holstein een overeenkomst getekend waarmee het mogelijk wordt om ook alvast de juridische en milieukundige hobbels op het pad naar TESLA in kaart te brengen.

Tesla is niet alleen een acroniem, maar ook een eerbetoon aan Nikola Tesla (1856-1943): de geniale, miskende en neurotische Amerikaanse ingenieur van Oostenrijks-Hongaarse afkomst. Hij vond de wisselstroommotor uit en construeerde talloze elektrische en elektromechanische apparaten. Tesla experimenteerde ook met de opwekking van stromen met zeer hoge frequenties en spanningen, waarmee hij voor een groot publiek de meest indrukwekkende ontladingsverschijnselen in de lucht en zelfs tussen mensen onderling tot stand bracht. Minder bekend is dat hij in 1901 patent verwierf op een techniek om de weerstand van geleiders door zeer sterke koeling te verminderen. Honderd jaar later wordt misschien het groene licht gegeven voor de bouw van een lineaire versneller waarin deze techniek tot in extrema wordt toegepast.