Higgs in Japan

Terwijl fysici op het Higgsdeeltje jaagden, ontwierpen experts alvast een nieuwe versneller – 31 kilometer lang. Te bouwen in Japan.

Artist impression van de nog te bouwen deeltjesversneller International Linear Collidor in het Japanse landschap. Foto Rey Hori / KEK

‘Een beetje gefrustreerd voel ik me wel”, zegt Frank Linde, directeur van het Nederlands instituut voor deeltjesonderzoek Nikhef. „Het Higgsdeeltje is al een halve eeuw geleden voorspeld. Een jaar na de experimentele bevestiging ervan wordt er een Nobelprijs voor uitgereikt. En wie krijgen die dan? Alleen de bedenkers van het Higgsdeeltje. Waarom dan een halve eeuw op experimentele bevestiging gewacht?”

Ofwel: waarom niet ook Cern gelauwerd, het Europese centrum voor deeltjesonderzoek waar dat Higgsdeeltje in de Large Hydron Collider (LHC) ontdekt werd? Linde: „Men had bijvoorbeeld de Cerndirecteur kunnen belonen namens de duizenden fysici die hebben meegewerkt. Ik had het best leuk gevonden om 7.000ste deel van die prijs te krijgen.”

Maar goed, de Higgs is bekroond – en nu weer verder, zegt hij dan. Want ja, met het Higgsdeeltje en het bijbehorende Higgmechanisme kunnen fysici verklaren hoe alle andere bouwsteentjes van de kosmos massa vergaren, en daardoor tot materie kunnen samenbinden. Maar hoe het Higgsdeeltje zich op detailniveau tot die andere deeltjes verhoudt, en waarom het Higgsdeeltje zelf de massa heeft (126 GeV/c2) die nu gemeten is, dat is nog onbegrepen.

Kitakami-gebergte

Juist met het oog op zulke vragen heeft een internationaal team versnellerexperts de laatste tien jaar een nieuwe deeltjesversneller ontworpen: de International Linear Collider (ILC). Deze zomer, op 12 juni, presenteerde het overkoepelende International Committee for Future Accelerators de definitieve plannen. Dat gebeurde op drie plaatsen: eerst in Tokio in Japan, daarna bij Cern in Genève en tot slot bij Fermilab in de VS (dat onlangs de grote Tevatron-versneller sloot). Sindsdien wijst alles er op dat die ILC (kosten 8 miljard euro) in Japan zal worden gebouwd. Op 100 meter onder de grond, aardschokproof in een dikke granieten plaat in het Kitakami-gebergte, 500 kilometer ten noorden van Tokio.

De versneller daar zal niet cirkelvormig zijn zoals de LHC-versneller bij Cern waarmee het Higgsdeeltje is ontdekt. In plaats daarvan zullen deeltjes vanaf twee uiteinden door een rechte buis snellen, om halverwege frontaal te botsen. 31 kilometer lang moet de ILC volgens plan worden.

En zeker, de redenen voor alweer een versneller werden bij die presentatie ook opgesomd. Een beter begrip van de Higgs, natuurlijk. En nieuwe vondsten, zoals ‘supersymmetrische deeltjes’, ‘extra dimensies’ of ‘donkeremateriedeeltjes’. Maar dat is wat twijfelachtig, vindt Linde. „LHC-metingen hebben eigenlijk al uitgesloten dat zulke vondsten kunnen opduiken in het voor ILC bereikbare energiegebied.”

Het zal dus om die Higgs draaien, denkt hij. „En je schrijft toch wel op dat de ILC een fantastisch mooie machine wordt?”

Haardunne pakketjes

Het is waar: versnellerexperts hebben de laatste technologische inzichten in de plannen verwerkt. Om zoveel mogelijk botsingen te bewerkstelligen willen ze haardunne pakketjes maken, elk bestaand uit 20 miljard deeltjes, die elkaar halverwege de ILC kruisen – 7.000 keer per seconde. En om die pakketjes zo smal mogelijk te maken en zo scherp mogelijk op elkaar te richten, willen ze ultrakoude, supergeleidende magneten inzetten, zoals in de LHC.

Verschillen zijn er ook. In een ringvormige versneller als de LHC (omtrek 27 kilometer) kun je de deeltjes talloze rondjes laten draaien en ze bij elk rondje een extra energiekick geven. In een lineaire versneller waar de deeltjes slechts één keer door heen snellen, lukt dat niet: de deeltjes zullen een 15 tot 60 keer lagere energie krijgen dan in de LHC (125 tot 500 GeV).

Dat komt óók doordat er door de ILC andere deeltjes zullen reizen dan door de LHC-versneller. In die laatste worden protonen versneld, relatief zware kerndeeltjes, die zijn opgebouwd uit quarks. Fysici beschrijven het botsen van zulke samengestelde deeltjes graag als het tegen elkaar aan smijten van volle vuilniszakken. Het levert soms interessante informatie op (zo’n Higgsdeeltje), maar vooral veel rotzooi (talloze andere, overbekende deeltjes).

Dat zal anders zijn in de ILC, waar elektronen (en hun antideeltjes: positronen) doorheen vlieden: deeltjes zonder inwendige structuur en ruim 1.800 keer lichter dan protonen. Daardoor zijn ze, inderdaad, minder energierijk, maar: botsingen ertussen zijn veel overzichtelijker omdat al die wisselwerking tussen verschillende componenten ontbreekt die de protonenbotsingen bij LHC juist zo complex maakt. Zo kun je heel precies sturen op het maken van zoveel mogelijk Higgsdeeltjes, en daarna die ‘schone’ data ook veel gemakkelijker vergelijken met de theorie.

„Dat de elektronen minder energie dragen is geen probleem”, zegt Linde. „Want die is minimaal genoeg om Higgs-deeltjes te maken (dat vergt een botsingsenergie van 250 GeV, en dus deeltjes met elk 125 GeV). Ga je wat hoger (botsingsenergie 350 GeV) dan kun je bovendien twee ‘topquarks’ maken, ook interessant. En bij nog hogere energie kun je details van de krachten tussen deeltjes bestuderen. Maar vooral: met ILC kunnen we de Higgs dus tot op het bot onderzoeken.”

Is dat een investering van 8 miljard euro waard? Duitsland, eerder nog kandidaat, heeft zich teruggetrokken. Rusland dingt nog mee. Maar iedereen verwacht dat de versneller in Japan zal komen. Dat land zou de lichtste variant van de ILC (botsingsenergie 250 GeV) wellicht zelfs uit eigen zak kunnen betalen. Bovendien wil het bij de versneller een wetenschapsstad bouwen, waar onderzoekers uit de hele wereld korter of langer kunnen verblijven.

De Japanse overheid liet uitrekenen dat de ILC in de loop van 30 jaar zo 250.000 directe en indirecte banen zou opleveren, en een kleine 30 miljard euro aan inkomsten. Reclamefilmpjes op YouTube tonen hoe Japanse basisschoolleerlingen alvast les krijgen in de oerknaltheorie. „En het is natuurlijk fantastisch dat Japan zoveel in de ILC wil investeren”, zegt Linde.

YouTube-reclamefilmpjes

Toch zal de ILC een echte internationale versneller worden, denkt hij. „Ik denk dat het uitdraait op een sterkere variant (500 GeV) waarvan Japan de ene helft betaalt, en de rest van de wereld de andere helft.”

Is het jammer dat het Europese Cern over vijftien jaar dan niet langer het hart van het internationale deeltjesonderzoek is? Linde: „Helemaal niet. Juist omdat de deeltjesfysica een internationaal vak is, is het goed als het zwaartepunt heen en weer schuift. Van Europa naar de VS en terug, en nu naar Azië. Sterker, als Europa deze versneller zou opeisen, dan zouden Amerika en Azië misschien afhaken. Bovendien: Japan heeft veel ervaring, maar het zal de Amerikaanse en Europese experts toch hard nodig hebben. We blijven meedoen.”

Het sluit aan op recente uitspraken van Cern-directeur Dieter Heuer. Twee jaar geleden betoogde Heuer nog dat de ILC op Cern moest komen. Nu zei hij: „No way dat de ILC in Genève komt. [...] Ik denk dat heen en weer switchen tussen continenten heel stimulerend en gezond is.”

    • Margriet van der Heijden