Zoeken naar de bouwsteentjes van de kosmos

De deeltjesversneller werkt weer sinds november 2009.

Vandaag wordt geprobeerd deeltjes bij zeer hoge energie frontaal te laten botsen. Hoe en waarom gebeurt dat?

Nooit waren er op aarde deeltjesbotsingen zoals die van vandaag. Als alles goed gaat tenminste. Op CERN, het instituut voor deeltjesfysica bij Genève, staan versnellerexperts onder hoogspanning. Hun machtige LHC-versneller, die half september 2008 bij een eerste poging beschadigd raakte, werkt weer. Pakketjes met deeltjes razen er met bijna de lichtsnelheid in tegengestelde richting doorheen.

Onder het oog van de wereld willen de experts die pakketjes vandaag steeds op vier punten in de ringvormige versneller laten kruisen. Daarbij moet steeds een klein deel van de deeltjes frontaal botsen – bij een energie die niet eerder is vertoond.

„Het is zoiets als naalden over de Atlantische Oceaan schieten en ze halverwege op elkaar laten botsen”, zei Steve Myers, directeur versnellertechnologie op het CERN.

Waarom willen mensen dat eigenlijk? Hoe doen ze dat? Wat levert het op? En: is het wel helemaal ongevaarlijk? Een handleiding bij de LHC-versneller.

1. Hoe werkt de LHC-versneller?

De LHC-versneller bevindt zich onder de grond in een 27 kilometer lange ringvormige tunnel, ingeklemd tussen de Franse Jura en het Zwitserse meer van Genève.

Het hart van de versneller bestaat uit de twee 27 kilometer lange vacuümbuizen in die tunnel. In die buizen worden deeltjes geïnjecteerd. Dat zijn protonen (waterstofkernen), die een positieve elektrische lading dragen en die in ‘voorversnellers’ zoals het Proton Synchrotron (PS) en het Super Proton Synchrotron (SPS) al een hoge snelheid hebben bereikt.

1624 ijskoude supergeleidende magneten omringen de vacuümbuizen. Hun krachtige magneetvelden houden de deeltjes op koers. Onderweg krijgen de deeltjes bovendien bij elk rondje door de versneller als het ware een schop van een hoogfrequent elektrisch veld: zo krijgen ze steeds wat extra energie mee.

Supergeleiding maakt de superkrachtige magneetvelden (tot 8,3 Tesla) mogelijk, maar vereist ook dat de magneten gekoeld worden tot 1,9 graad boven het absolute nulpunt – kouder dan in de lege ruimte tussen de sterren. Dat vergt 100 ton helium en 12.000 ton stikstof.

Als de LHC-versneller in vorm is moeten er triljarden deeltjes, verdeeld over twee keer 2.800 pakketjes, in rond draaien. Elk ‘pakketje’ is rond de tien centimeter lang en vijf keer dunner dan een haar. De helft van de pakketjes draait tegen de klok in; de andere helft met de klok mee.

Ter vergelijking: de energie van al deze minuscule deeltjes is bij vol vermogen groot genoeg om 400 kilo koper te laten smelten. Het vermogen dat de magneten dan afnemen kan een Airbus A380 met 800 kilometer per uur voortstuwen.

Voorlopig wordt dat vol vermogen niet bereikt. Tot het einde van 2011 zal de LHC-versneller op halve kracht draaien. Dat is vanwege een ontwerpfout in de verbindingen tussen de supergeleidende magneten. Deze fout zorgde eind 2008 voor grote schade aan de versneller.

De deeltjes draaien dus bij een energie van 3,5 Tera-elektronvolt (TeV). Pas nadat in 2012 aanpassingen zijn gemaakt, zal de energie opgevoerd worden tot de beoogde 7 TeV. Maar ook 3,5 TeV is hoger dan wat ooit op aarde is bereikt. In de tot dusver krachtigste versneller, het Tevatron bij het Fermilab in de Verenigde Staten, bereiken de deeltjes een energie van 1 TeV – 3,5 keer zo weinig.

2. Wat willen fysici vinden?

De fysici willen nieuwe deeltjes vinden: nieuwe bouwsteentjes van de kosmos.

Die nieuwe deeltjes kunnen ontstaan als de ‘protonen’ in de LHC-versneller bij frontale botsingen volledig verwoest worden. Elke kruising van protonenpakketjes moet ongeveer twintig frontale botsingen opleveren. De botsingsenergie (7 TeV) is zo groot dat daarbij honderden tot duizenden, soms exotische, andere deeltjes uit kunnen ontstaan. Want: energie is equivalent aan massa, zoals Einstein zei. De hoop is dat zo ook ‘nieuwe’ deeltjes opduiken.

Een kandidaat is het Higgsdeeltje. Dat deeltje moet, met het bijbehorende Higgsmechanisme, verklaren waarom alle andere bouwsteentjes van de ons bekende materie überhaupt massa hebben. Zulke bouwsteentjes, waar fysici intussen een aardig inzicht in hebben, zijn bijvoorbeeld elektronen, en quarks. Ze zijn ondergebracht in het zogeheten Standaard Model, dat ook de krachten beschrijft die deze bouwsteentjes tot materie bijeenbinden. Het Higgsdeeltje zou de kroon op dat Model vormen.

Daarnaast komt misschien een nieuwe klasse van deeltjes tevoorschijn. Dat zijn de supersymmetrische deeltjes, die een schaduwwereld van de zichtbare materiedeeltjes zouden vormen. Ze hangen op een ingewikkelde manier samen met het Higgsdeeltje. Ze zijn ook kandidaat voor de donkere materie, de geheimzinnige en onzichtbare materie die bijna een kwart van ons universum uitmaakt.

3. Hoe snel gaat dat lukken?

Dat gaat wel even duren. De deeltjes die bij de botsingen ontstaan, laten signalen achter in reusachtige meetapparaten, ‘detectoren’, rond de vier kruisingen.

Fysici moeten de signalen uit zo’n detector aan elkaar knopen tot deeltjessporen. Aan de hand daarvan reconstrueren zij de botsingen, om die zo te doorgronden. Elk deeltjesspoor moet dus als een puzzelstukje op zijn plek vallen.

Dat is een heidens karwei omdat het zoveel botsingen en zoveel deeltjes betreft. Iedere kruising van deeltjespakketten moet ruwweg twintig botsingen opleveren; en op termijn zijn er per seconde zo’n tienduizend kruisingen. Zo loopt het aantal te reconstrueren sporen al vlug in de miljarden.

Het is óók een heidens karwei omdat de deeltjes geïdentificeerd moeten worden. Dat gebeurt aan de hand van hun lading, massa en energie. Die moeten uit de metingen worden afgeleid, vaak indirect.

Neem het Higgsdeeltje. Dat vervalt (ofwel: breekt op) vrijwel onmiddellijk in andere deeltjes. Doordat het Higgsdeeltje bovendien lichter is dan werd aangenomen, zijn dat waarschijnlijk veelal ‘huis- tuin en keukendeeltjes’. Anders gezegd: deeltjes die in de botsingen ook op talloze andere manieren kunnen ontstaan. Het Higgsdeeltje moet dus uit een zee van achtergrondruis worden opgevist. Voortbordurend op de beeldspraak die versnellerbaas Steven Myers gebruikt: het is zoeken naar een naald in een oceaan.

Bijkomend probleem is dat de versneller nu op halve kracht draait. „Als het Higgsdeeltje licht is, en alles wijst daarop, duurt het nog zeker tot 2014 of 2015 eer we het bij CERN zien”, zei Frank Linde, directeur van het Nederlands instituut voor deeltjesfysica eerder in deze krant. Maar nieuwe supersymmetrische deeltjes ontdekken is eerder al mogelijk.

4. En zwarte gaten?

Doemdenkers waren eind 2008 bang dat het opstarten van de LHC-versneller tot de ondergang van de wereld zou leiden. Ze hadden daarvoor naargeestige scenario’s. Zoals dat de botsingen exotische deeltjes opleveren, zogeheten strangelets, die in een kettingreactie alle aardse materie in ‘strange matter’ zouden omzetten. En die zo onze aardbol in een doodse klomp zouden veranderen.

In een ander scenario zouden er extra dimensies bestaan, wat de mogelijkheid biedt dat er microscopisch kleine zwarte gaten worden geproduceerd. Als die, tegen de verwachting in, niet meteen zouden verdampen, zouden ze zich gaan voeden met eerst de versneller en daarna de rest van de aarde opslokken.

Op verzoek van CERN onderzochten vijf vooraanstaande theoretische fysici deze doemscenario’s. Zij kwamen tot de conclusie dat deze uiterst onwaarschijnlijk zijn.

Met het boerenverstand: op veel plaatsen in de kosmos versnellen in krachtige magneetvelden kosmische deeltjes tot veel hogere energieën dan waartoe mensen in staat zijn. Zulke deeltjes slaan ook in op sterren en planeten. Op die manier zouden sinds het ontstaan van het universum minstens 1031 LHC-experimenten (een 1 met 31 nullen erachter) zijn uitgevoerd.

Toch bestaat de kosmos nog altijd. En alle waargenomen astrofysische zwarte gaten erin kunnen met gewone natuurkunde worden begrepen. Het lijkt erg onwaarschijnlijk dat mensen deze kosmische gang van zaken nu kunnen overtreffen.