Deeltjes versnellen op de keukentafel

In Duitsland en de VS wordt gewerkt aan de deeltjesversneller van de toekomst. Die past misschien wel op een keukentafel of zelfs op een chip.

Supertrots waren de deeltjesfysici deze zomer toen ze de plannen voor de nieuwe internationale ILC-superversneller presenteerden. Die kan over een jaar of vijftien in Japan gaan draaien. Pakweg 30 kilometer gaat de lineaire versneller meten - kosten zeker 5 miljard euro. Het bakbeest is de opvolger van de 21 kilometer lange cirkelvormige LHC-deeltjesbotser in Genève, waarmee vorig jaar het higgsdeeltje werd ontdekt. De nieuwe ILC moet zulke higgsen massaal gaan uitspuwen voor nader onderzoek.


Hoe anders is de wereld van John Breuer en Peter Hommelhoff van het Max Planck-instituut voor quantumoptica in Garching, bij München. Veel meer dan een flinke tafel vol lasers en andere apparatuur hebben zij niet nodig om elektronen tot razende energie te versnellen. Hart van de opstelling is een glazen chipje waarin een speciaal raster is geëtst en dat gemakkelijk op het topje van een vinger past. Niks bakbeest.


In een klassieke versneller als de LHC in Genève worden de rondzoevende deeltjes steeds sneller opgejaagd door ze met radiogolven telkens opnieuw een duw in de rug te geven. Daartoe zijn honderden meterslange magnetronachtige onderdelen in de 21 kilometer lange versnellerring gebouwd.


In de nieuwe versnellerconcepten surfen de deeltjes echter niet op relatief lange radiogolven, maar op licht. Dat heeft een veel kortere golflengte dan radiostraling. Daardoor komt eenzelfde versnelling binnen veel kortere afstanden tot stand. De kunst daarbij is om de lichtgolven het deeltje steeds precies op het juiste moment een nieuw duwtje te laten geven.


Dat gebeurt boven de ribbels in het speciale nanoraster van glas dat de Duitse onderzoekers - en onlangs ook een groep op Harvard - hebben ontwikkeld. Laserlicht dat van onderaf op dat raster schijnt, geeft boven de ribbels een grotere elektrische kracht dan boven de groeven. Als alle timing klopt, krijgt een rakelings overvliegend elektron steeds de duwtjes in de rug die nodig zijn om het stevig te versnellen.


Een paar weken geleden publiceerden de Duitsers en Amerikanen vrijwel gelijktijdig de eerste resultaten van die techniek, die in jargon laser wakefield acceleration heet. In zijn kleine testopstellingen haalt Garching een nettoveld van 25 megavolt per meter, vergelijkbaar met wat conventionele versnellers leveren. Met andere rasters en een iets andere opstelling halen ze op Stanford zelfs 300 megavolt per meter. Dat is zomaar tienmaal zo sterk als wat de huidige superversnellers kunnen leveren.


Het zijn experimenten vol haken en ogen. Er is gewerkt met relatief trage elektronen en de getallen zijn gemakshalve afgeleid uit versnellingen over een paar centimeter. Een echte versneller bij de lichtsnelheid en met een maximale energie van mega- of zelfs tera-elektronvolts is het allemaal nog lang niet, erkennen Breuer en zijn Amerikaanse collega Robert Byer van SLAC Stanford direct. 'Maar het principe staat, en in het systeem is modulair: je kunt er eindeloos veel achter elkaar schakelen', zegt Breuers baas Hommelhoff.


Sinds de recente publicaties zoemt in de conventionele versnellerwereld daarom de gewetensvraag of zich hier niet toch ongemerkt een revolutie aan het voltrekken is. Machines van tientallen miljarden dollars zijn immers niet meer eenvoudig los te praten uit de zakken van de belastingbetaler, realiseren de fysici zich terdege. Wat als zoiets ook veel kleiner en veel goedkoper kan?


Een relevante vraag, zegt directeur Frank Linde van het Nikhef laboratorium voor hoge-energiefysica in Amsterdam. Maar of de nieuwe lasertechnieken ooit van betekenis zullen worden voor superbotsers die de nieuwe deeltjesfysica nodig heeft, betwijfelt hij toch een beetje. 'De versnellingen zijn interessant. Maar de bundel die ze maken is nog volstrekt waardeloos. Te zwak en te onstabiel. Ik weet niet of dat op te lossen is.'


Onderschat bovendien de technische problemen niet, zegt Marnix van der Wiel, oud-hoogleraar plasmafysica aan de TU Eindhoven en oud-directeur van het FOM-instituut Rijnhuizen. Zelf werkte hij tot vijf jaar geleden in Eindhoven aan een laserversneller voor elektronen. Er is vooruitgang, maar snel gaat het niet.


'Wakefield werkt - dat is het probleem niet. Maar de vraag is hoe je het gebruikt. Je hebt enorme lasers nodig, die verduiveld storingsgevoelig zijn en zo sterk dat ze bij de geringste afwijking je hele installatie met spiegels en kristallen opblazen. En het geheel vreet werkelijk energie. Dat is toch een andere, veel breekbaarder wereld dan die van een robuuste deeltjesfabriek als CERN.'


Eerlijk gezegd is Van der Wiel - na zijn emeritaat nog steeds directeur van het General Electric-cyclotron in Eindhoven dat radioactieve stoffen voor ziekenhuizen maakt - ook niet erg onder de indruk van andere toepassingen die de wakefieldenthousiastelingen noemen: ultracompacte röntgenbronnen of handzame scanners.


Van der Wiel: 'Mijn indruk is dat ze die toepassingen vooral noemen om geld binnen te halen voor leuke fysica, want hoe je met enorme lasers tot een handzame scanner komt, weet ik eigenlijk niet. Ik had laatst iemand van het Rutherford-lab op bezoek, die met laserversnelde ionen ook radionucliden wilde gaan maken. Toen hij zag dat je met een simpel cyclotron en één technicus 24 uur per dag kunt produceren, wist hij genoeg. Dat ging dus nooit wat worden met hun laserproject.'


DEELTJESVERSNELLERTJE

Het minuscule hart van de nieuwe laser-deeltjesversnellers: een blokje silicaglas van enkele millimeters met daarin geëtst een speciaal raster van ribbels en groeven op nanometerschaal. De chip maakt van laserlicht dat er doorheen wordt geschenen een krachtbron die overvliegende elektronen bij elke ribbel een duw vooruit geeft.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden