Het botst weer in de buis bij Genève

De supermachine die Cern liet bouwen om protonen met hoge snelheid te laten botsen is na een ‘pauze’ van twee jaar weer in bedrijf. Hij is robuuster en kan meer gegevens leveren dan ooit tevoren.

Werkzaamheden aan de zogenoemde muon-detector tijdens de ‘bedrijfspauze’ van twee jaar.
Werkzaamheden aan de zogenoemde muon-detector tijdens de ‘bedrijfspauze’ van twee jaar. Foto Cern

Hij werkt weer. Verbeterd en krachtiger dan ooit. Woensdag botsten voor het eerst sinds 27 maanden weer deeltjes in het hart van de grote detectors bij de Large Hadron Collider (LHC) van het Cern bij Genève. Ruim twee jaar (27 maanden) was de LHC buiten bedrijf voor reparatie, onderhoud en tests. „Ik ben geroerd”, zei Cern-directeur Rolf Heuer toen in de verschillende controlekamers weer beelden van deeltjesbotsingen op de schermen verschenen.

Bij die botsingen – frontale botsingen tussen protonen – komt een ongeëvenaarde hoeveelheid energie vrij van 13 tera-elektronvolt (TeV). Dat biedt mogelijkheden om deeltjes te ontdekken die eerder, bij lagere energie (7 TeV), niet konden ontstaan. Het geeft bovendien de kans om het Higgsdeeltje in meer detail te bestuderen, omdat het dat bij deze energie in veel groteren getale opduikt. Gedraagt het zich inderdaad zoals verwacht?

Die huidige botsingsenergie, 13 TeV, was van meet af aan beoogd. Kort na de eerste metingen in 2008 verloor echter een supergeleidende magneet in de ringvormige LHC zijn supergeleidende eigenschappen (hij ‘quenchte’), met explosieve kortsluiting en zware schade tot gevolg. Uit vrees dat zulke kortsluitingen ook elders in de 27 kilometer lange ring zouden optreden, werd na ‘spoed-reparatie’ besloten om de LHC tot 2012 op halve kracht te laten draaien.

Uit een animatie van Cern blijkt de cruciale rol die de supergeleidende magneten spelen. De beelden tonen hoe protonen worden gemaakt: door waterstofatomen uit een gasfles op het Cern-terrein te beroven van het elektron dat om hun atoomkern beweegt. Vervolgens worden de positief geladen atoomkernen (protonen dus in dit geval) voorversneld in een reeks versnellers (Linac, Proton Synchrotron en Super Proton Synchrotron), en in de LHC geïnjecteerd – met de klok mee en er tegenin.

De LHC voert daarna hun snelheid op tot tegen die van het licht (11.245 rondjes per seconde maken ze), en hun energie tot dat record van 6,5 tera-elektronvolt. Alleen ijzig koude supergeleidende magneten (1,9 graad boven het absolute nulpunt) kunnen de protonen dan nog op koers houden. Zo komt bij de goed gemikte frontale botsingen (tussen de in tegengestelde richting reizende deeltjes) in het hart van de detectors die energie van 13 tera-elektronvolt vrij.

Achteraf gezien heeft de onvoorziene ‘pauze’ voordelen geboden, zeggen betrokkenen. Het Higgsdeeltje – dat via het bijbehorende Higgsveld de andere bekende bouwsteentjes van de materie hun massa geeft en zo de ‘heilige graal’ van deeltjesfysici was – werd bij de lagere energie toch ontdekt. En de ervaring met de protonenbotser kon worden gebruikt om meer verbeteringen door te voeren.

Het belangrijkste was uiteraard het vervangen van de verbindingen die de elektrische stroom (11.000 ampère) opvangen als één van die 1.232 supergeleidende magneten zijn supergeleidende eigenschappen verliest (‘quencht’ dus). De stroom die zonder weerstand door de talloze wikkelingen van stroomdraad in de magneet voert, moet dan plotseling mét weerstand (en bijbehorende warmteontwikkeling) worden omgeleid. Dat systeem is nu robuust.

De warmteafvoer werd eveneens verbeterd. Daarnaast zijn 18 magneten (elk 15 meter lang) vervangen; het koelsysteem werd gerenoveerd en het vacuümsysteem in de bundelpijpen waar de protonen doorheen razen (ze moeten bij voorkeur onderweg niets tegenkomen) werd geoptimaliseerd.

Fysici van de vier grote experimenten (Alice, LHCb, ATLAS en CMS) voerden intussen onderhoud aan hun grootse detectors uit. „In de grote ATLAS-detector hebben we bovendien de binnenste component uitgebreid met een gevoelige meetlaag, pal tegen de bundelpijp aan en dus vlak op het botsingspunt”, zegt Ivo van Vulpen, die via het Nederlands instituut voor deeltjesfysica betrokken is bij dat ATLAS-experiment.

„Verder hebben we de tijd benut om het gedrag van de ATLAS-detector heel goed te doorgronden. Als we straks iets vinden, hebben we zo meer vertrouwen dat het echt nieuwe fysica is, en geen signaal dat voortvloeit uit verkeerd begrepen gedrag van die detector bij hoge energie. Dat moeten we ook dan hard bewijzen natuurlijk, maar we betreden dit nieuwe energiegebied toch met meer vertrouwen.”

Tijdens die nieuwe metingen zullen fysici nóg meer data vergaren dan voorheen. Dat heeft een fysische reden: hoe hoger de energie, hoe scherper de protonenpakketjes zijn gefocust. Het vergroot de kans op botsingen wanneer pakketjes uit tegengestelde richtingen elkaar in het hart van detectors kruisen.

In plaats van bijna tweehonderd miljard, bevatten de protonpakketjes daarom nu ‘slechts’ honderd miljard protonen. Het moet voorkomen dat de detectors overvoerd raken met meetgegevens uit de botsingen. Tegelijk is de afstand tussen afzonderlijke pakketjes verkleind (geen 50 nanoseconden tussen elke passage, maar 25), om voor een meer continue stroom meetgegevens te zorgen.

Althans, over een tijdje: het aantal pakketjes dat door de LHC draait, wordt nu langzaam opgevoerd tot ruim 2.800, goed voor 1 miljard botsingen per seconde. Razendsnelle triggers besluiten intussen telkens (aan de hand van patroonherkenning in de sporen die deeltjes uit de botsingen achterlaten in de detectors) of de data worden bewaard of niet. Het ATLAS-experiment zal zo een paar honderd botsingen per seconde ‘wegschrijven’ – elk equivalent aan zo’n 2 Megabyte, ofwel een iPhone-foto. In totaal rekenen de fysici op 30 petabytes per jaar – 250 jaar HD-films.

Een heidense data-analyse geeft dat, maar voorlopig is Van Vulpen blij dat de LHC draait. Hij volgde het opstarten vanuit Nederland.

„Misschien,’ zegt hij, „leef ik te veel in mijn eigen wereldje, maar ik vond het vreselijk spannend.”