Eerste deeltjesbotsingen in Genève

Vandaag botsten deeltjes met een energie van 3,5 tera-elektronvolt voor het eerst frontaal in de LHC-versneller. Eerst lukte het twee keer nét niet, toen wel.

Plotseling, om 13 uur klinkt er gejuich: botsingen. Eindelijk.

Om zeven uur was het nog stil bij het CERN, het Europees instituut voor deeltjesonderzoek bij Genève – ook onder de grond. „We zijn de bundel kwijtgeraakt”, zei CERN-woordvoerder James Gillies toen. In de LHC-versneller, de krachtigste deeltjesversneller die sinds eind vorig jaar weer werkt, draaiden even geen deeltjes.

Zonder deeltjes geen botsingen. Vandaag zouden die voor het eerst moeten plaatsvinden: frontale botsingen tussen deeltjes die met bijna de lichtsnelheid door de versneller jakkeren. De botsingen moeten geheimen onthullen over de bouwsteentjes van de kosmos en de krachten ertussen.

Vanmorgen vroeg vulden versnellerexperts de 27 kilometer lange versnellerring met vier pakketjes die elk ruwweg zes miljard deeltjes bevatten. Daarna voerden ze langzaam de stroom door de 6.700 koude, supergeleidende magneten op. Met steeds sterkere magneetvelden hielden ze de deeltjes op koers, die bij elk rondje een beetje extra energie kregen toegediend met behulp van hoogfrequente elektrische velden. Totdat de deeltjes een energie hadden bereikt van 3,5 Tera-elektronvolt, 3,5 keer hoger dan tot voor kort op aarde mogelijk was. Tenminste, dat was de bedoeling, maar bij 2,2 TeV was er een storing.

„Met een beetje geluk lukt het over twee uur wel”, zegt Paul de Jong. Hij werkt namens het NIKHEF, het Nederlands instituut voor deeltjesfysica, mee aan het ATLAS-experiment en komt net uit de nachtdienst. De magneten die uitvielen, moeten opnieuw klaargemaakt worden voor gebruik, legt hij uit, en dat kost veertig minuten. Daarna kost het opnieuw injecteren en versnellen van de deeltjes nog eens anderhalf tot twee uur. De Jong pakt een beker koffie: „Daar wacht ik op.”

In een zaaltje boven de ATLAS-controlekamer legt Michael Barnett van het Amerikaanse Lawrence Berkeley National Laboratory uit wat de botsingsexperimenten voor hem zo interessant maken. Hij is een van de 2.900 fysici uit 37 landen die aan het ATLAS-experiment meewerkt. De ATLAS-detector staat op één van de vier punten waar de deeltjespakketjes uit de LHC-versneller elkaar kruisen. Elke kruising moet frontale botsingen opleveren. De energie die daarin vrijkomt is zo groot dat er honderden, soms duizenden andere deeltjes uit kunnen ontstaan – energie en massa zijn immers equivalent, zoals Einstein opmerkte. De enorme ATLAS-detector (46 meter lang, 25 meter hoog en 7.000 ton zwaar) vangt die deeltjes op. In een analyse die maanden kan duren, moeten fysici de botsingen daarna reconstrueren en vooral: zien of er nieuwe deeltjes zijn opgedoken.

Net zoals De Jong wil Barnett vooral weten of er supersymmetrische deeltjes in de botsingen tevoorschijn komen. Zij zouden een nieuwe deeltjesklasse vormen, een schaduwwereld van de materie die wij kunnen waarnemen. Supersymmetrische deeltjes kunnen een kandidaat zijn voor de geheimzinnige onzichtbare materie die 23 procent van de kosmos uitmaakt. Barnett: „En ze zouden theoretici de weg kunnen wijzen die proberen de krachten in de natuur onder één noemer te brengen.”

Misschien kunnen de botsingen ook een antwoord geven op de vraag waarom de zwaartekracht zo zwak is in vergelijking met de andere krachten, vervolgt hij. En dan is er nog het Higgsdeeltje, dat moet verklaren waarom alle andere bouwsteentjes van de materie in de kosmos massa hebben, en waarom sommige tot wel 150 keer zwaarder zijn dan andere. „Maar het Higgsdeeltje vinden zal de komende twee jaar heel moeilijk zijn”, zegt Barnett. Het duikt zo zelden op, dat daarvoor enorm veel botsingen geregistreerd moeten worden. „We voeren die botsingsintensiteit zo voorzichtig op, dat we de Higgs waarschijnlijk pas eind 2013 of in 2014 zullen vinden”, schat Barnett.

Paul de Jong heeft intussen zijn laptop opengeklapt om de activiteiten in de LHC-tunnel te volgen. Het gaat weer goed. Of nee, oeps, de deeltjes zijn weer weg. ‘Gedumpt’ in één van de betonnen blokken die de deeltjes absorberen zodra magneten hen niet goed meer op koers kunnen houden. Cruciaal, want als de LHC echt goed draait, dragen de deeltjes samen genoeg energie om 400 kilo koper te laten smelten. Het veiligheidssysteem van de magneten heeft alarm geslagen, blijkt even later. Vals alarm, maar in een deel van de versneller zijn toch de magneten uitgeschakeld.

En dan, uiteindelijk, om 13 uur, lukt het toch nog.