Een nieuwe superversneller, groter dan de LHC in Genève. Hoe moet die eruit zien?

Deeltjesfysici smeden plannen voor nieuwe versnellers

Natuurkundigen dromen van een nieuwe superversneller, nog groter dan de LHC in Genève. Hoe moet die grootste machine op aarde eruitzien? Daarover praten ze komende week in Amsterdam.

Foto Arjen Born

Eerst even voor de verhoudingen: als de Large Hadron Collider, de versnellerring waarmee in 2012 het bestaan van het higgsdeeltje werd aangetoond, in Amsterdam lag in plaats van in Genève, van waar tot waar zou dat dan zijn?

Deze LHC is 27 kilometer in omtrek, dat maakt een diameter van ruim 8,5 kilometer. Dat past min of meer op de rondweg A10 om de stad, bij de lichtsnelheid een rondje van ongeveer 0,00009 seconde.

Maar nu de versneller waarvan bijvoorbeeld de Nijmeegse deeltjesfysicus Sascha Caron niet eens zo heel stiekem droomt, de Future Circular Collider, kortweg FCC. Volgens de schetsen heeft die voor het gemak een omtrek van 100 kilometer, dus een doorsnee van 32 kilometer. Als zoiets bij de wijk ­Watergraafsmeer aan de stad Amsterdam raakt, ligt de overkant bij Utrecht. In het oosten komt hij in de buurt van Hilversum, en in het westen van Alphen a/d Rijn. Rondjes van 0,0003 seconde.

Waarna elektronen of andere kleinste deeltjes zo hard op elkaar botsen dat ze uiteenspatten in onderdelen en energie, waaruit nieuwe deeltjes tevoorschijn kunnen springen. Uit die dans van de allerfundamenteelste materie leiden natuurkundigen theorieën af over de herkomst van het universum, de materie, de natuurkrachten. Het is de ultieme speurtocht naar de oorsprong van alles. De vraag waar wij en de rest van de wereld vandaan komen.

Maar eerst terug naar aarde. Voeten aan de grond. De FCC-versneller.

‘Nogal een groot ding, ja’, zegt Caron, een van de organisatoren van een grote internationale conferentie over de FCC, komende week in Amsterdam. Honderden experts van meer dan zeventig instituten strijken neer in de Beurs van Berlage in de hoofdstad om te bedenken hoe zo’n hyperversneller de meeste kans maakt om onbekende domeinen in de deeltjesfysica te vinden. Wat hij moet kunnen, wat erin op wat botst, welke technieken dat vergt, wat het kost. Later dit jaar moeten de conclusies klaarliggen. Precies op tijd voor een nieuwe strategiediscussie van de deeltjeslabs in Europa, en dat is geen toeval.

Rond 2045 zal de LHC-versneller van CERN in Genève tot op de laatste flinter kennis uitgewrongen zijn. De natuurkunde is nooit klaar, zegt Carons collega Bob van Eijk, versnellerfysicus op deeltjeslab Nikhef in Amsterdam en hoogleraar in Twente. ‘Maar het gaat om meer. CERN is een bron van opleiding, van innovatie, van internationale samenwerking. We zeuren niet maar wat om een mooie nieuwe machine.’

Tegelijk is het geen geheim dat veel Europese natuurkundigen wel een voorkeur hebben. Voor een ringvormige versneller van, als gezegd, zo’n 100 kilometer in omtrek. Een versnellerring heeft het belangrijke voordeel dat een deeltje elk rondje weer kans heeft op een tegenligger te botsen, en wat niet botst, doet gewoon de volgende keer nog eens mee en nog eens. De bundels worden op die manier extreem efficiënt gebruikt. Efficiënter bijvoorbeeld dan in zogeheten lineaire versnellers, waar twee deeltjeskanonnen elkaars projectielen raken in een spel van alles of niets. 

In de LHC-versneller, hij is na een winterstop net weer in bedrijf, vliegen protonen rond in een 27 kilometer grote cirkel, opgejaagd tot een botsingsenergie van 14 TeV (tera-elektronvolt). Genoeg bijvoorbeeld om heel af en toe met een voltreffer een higgsdeeltje aan het weefsel van het universum te ontlokken. De sluitsteen van het deeltjesmodel, werd de higgs genoemd. De heilige graal, want het deeltje dat alle andere hun specifieke massa verleent.

De vraag is of er niet nog veel meer is tussen hemel en aarde, als het op deeltjes en kracht aankomt. De LHC heeft na de higgsontdekking niet veel nieuws weten te brengen en een nog hogere botsingsenergie zou kunnen helpen, liefst in de orde van 100 TeV. Nog meer energie in de LHC-bundels pompen kan niet, dan vliegen de deeltjes uit de bocht die de supermagneten ze kunnen opleggen. Harder opjagen lukt alleen in een grotere versnellerring en berekeningen laten zien dat het een omtrek van 100 kilometer moet zijn. Wat betreft de techniek is dat echt op het randje. De magneten in zo’n gigantische ring moeten nog steeds driemaal zo sterk zijn als in de LHC. Of dat haalbaar is, is de vraag.

Dat een eventuele FCC-versneller niet tussen Amsterdam en Utrecht komt te liggen, spreekt vanzelf. Maar op het Europese deeltjeslab CERN in Genève hebben ze wel oren naar een opvolger voor de LHC-versneller. Als zo’n gevaarte op het lab aan de Frans-Zwitserse grens ontspringt, kan de dan oude LHC als voorversneller gaan werken. De ring reikt dan tot bij de stad Annecy in Frankrijk.

Zoiets zou de grootste machine op aarde zijn. Een 100 kilometer lange diepvacuümbuis in een cirkelvormige tunnel waarvan de kromming met het blote oog niet eens te zien zal zijn, omgeven door duizenden diepgekoelde supergeleidende elektromagneten die de rondzoevende deeltjes in hun baan houden, terwijl ze ongeveer met de lichtsnelheid rondvliegen. Op een paar plaatsen in de reuzenring zullen bundels elkaar frontaal raken met misschien wel tienmaal zoveel energie als in de LHC-versneller kan. Meer energie is een recept voor nieuwe natuurkunde.

Bij de botsingen, is de hoop en verwachting, ontstaan onbekende deeltjes die kunnen duiden op onbekende krachten en wellicht onvermoede dwarsverbanden tussen de wel bekende deeltjes. Mogelijk dat daar de antwoorden besloten liggen op de Grote Vragen van de natuurkunde: wat is donkere materie, het spul dat ronddraaiende sterrenstelsels bij elkaar houdt zonder dat er iets van te zien is, hoe werkt de zwaartekracht, zitten er piepkleine extra dimensies in onze driedimensionele wereld verborgen?

Het klinkt misschien allemaal als de klassieke vraag hoeveel engelen er op de punt van een naald passen. Maar als er een antwoord op die vraag bestaat, zou de FCC dat zomaar kunnen vinden. Hoe, is een vraag waar de fysici ook nog niet uit zijn. Sterker: het plan voor een nieuwe nog grotere ringversneller is ook maar een mening. In de Beurs van Berlage zullen de meningen komende dagen vermoedelijk niet verdeeld zijn. Maar buiten is het anders. Daar staat tegenover de FCC een school van fysici die denken dat er meer te bereiken is met een rechte deeltjesracebaan, een lineaire versneller. In elk geval om te beginnen.

Voor zo’n lineaire deeltjesbotser bestaan al vergevorderde plannen en ontwerpen. Japan heeft al jaren interesse in de bouw van zo’n International Linear Collider, een reuzenracebaan van 30 kilometer lengte, bestaande uit twee op elkaar gerichte versnellerkanonnen. In eerste instantie zullen die elektronen en positronen (de positief geladen tegenhanger van het elektron) op elkaar gaan schieten. Bij een energie die veel higgsdeeltjes zal losmaken, is de verwachting. Interessant, omdat weliswaar het bestaan van het higgsdeeltje een feit is (2012 op CERN ontdekt), maar de eigenschappen ervan nog bij lange na niet bekend zijn. Het zou zelfs zomaar kunnen dat er niet één smaak higgs bestaat, maar meerdere. Theorieën die dat voorzien zijn er genoeg, maar alleen een experiment kan de juiste of beste aanwijzen.

‘Waar het nu op hangt, is de ­Japanse politiek, die moet besluiten of ze in het noorden van Japan zo’n higgsfactory willen realiseren’, zegt Peter Kluit, die bij het Nikhef de lineaire versnellers scherp volgt. Op zich, zegt hij, lijken de voortekenen gunstig, vooral omdat een CERN-achtig instituut de regio ook economisch een zeer gewenste impuls kan geven. Het ILC-consortium heeft Japan gevraagd voor het eind van dit jaar duidelijkheid te geven. 

‘Vriendelijk maar dringend’, zegt deeltjesfysicus Tristan Du Pree van Nikhef, die bij eerdere onderhandelingen was. ‘We wachten al twintig jaar, er moet nu iets gebeuren.’ Zelf vindt hij overigens dat Europa hoe dan ook een FCC-elektronenbotser moet bouwen, die later tot een protonbotser wordt omgebouwd. Eerst precies de higgs doormeten, dan verder de woestijn in.

Maar te veel haast zou niet verstandig zijn, benadrukt Nikhef-­directeur Stan Bentvelsen. ‘We maken een bewuste keuze om de nieuwe resultaten uit de LHC af te wachten. Wie weet zit er toch iets van structuur in de woestijn. Pas dan hebben we scherp welke machine het meest geschikt is om verder te gaan met onze ontdekkingstocht.’ Anderzijds weten we vrij zeker dat er in de woestijn iets moet zijn, zegt Peter Kluit. ‘Het heelal zit vol donkere materie waar we niks van weten.’

Wat het wordt, weet niemand, waar en wie het miljardenproject zal betalen ook niet. Dat het tijd zal kosten is wel helder, zegt Bob van Eijk. In 1984 was hij als jonge vent bij de eerste workshops over de LHC-versneller op CERN. Toen lag de voorganger daarvan, de 27 kilometer lange LEP-ring er nog niet eens, in Genève. Een kwarteeuw ­later, op 10 september 2008 ­gingen de eerste bundels in de LHC rond, en kon de jacht op het higgsdeeltje beginnen, dat in 2012 werd ontdekt. ‘Dertig jaar is echt niks in deze business’, zegt Van Eijk.

Publieksavond 

Dinsdag 10 april 20.00 uur Beurs van Berlage, Amsterdam, is er een Nikhef-publieksavond met lezingen over zwaartekrachtgolven van Jo van den Brand en over de ‘Deeltjeswereld voorbij de Higgs’ door Ivo van Vulpen. Toegang gratis.

Versnellerenergie

De kracht van een versnellers wordt afgemeten in elektronvolts, de hoeveelheid energie die ze een geladen deeltje kunnen geven. Moderne versnellers halen giga- (GeV) of zelfs tera-elektronvolts (TeV), een miljard of een biljoen elektronvolt. Een TeV is ongeveer evenveel energie als een mug in volle vlucht, is wel eens uitgerekend. Dat lijkt niks, maar voor één subatomair deeltje is het onvoorstelbaar veel. Zo’n deeltje raast dan met bijna de lichtsnelheid voort, opgejaagd door eindeloze duwtjes van radiogolven.

Deeltjeswoestijn

Na de ontdekking van het higgsdeeltje in 2012 op CERN heeft de LHC-versneller nog geen spectaculaire nieuwe ontdekkingen opgeleverd, ook niet toen de energie verder werd opgeschroefd. Alsof het lab  een lege woestijn ziet liggen. Het enige experiment dat wel hints van onbekende verschijnselen geeft is LHCb, waar ook Nederlandse fysici aan meedoen. Daar worden flauwe afwijkingen van de bekende deeltjesnatuurkunde gezien. Statistisch nog niet hard genoeg om de champagne te ontkurken. Maar genoeg om toch naar meer energie te willen en de woestijn echt in te trekken.

PUBLIEKSAVOND 

Dinsdag 10 april 20.00 uur Beurs van Berlage, Amsterdam, is er een Nikhef-publieksavond met lezingen over zwaartekrachtgolven van Jo van den Brand en over de Deeltjeswereld voorbij de Higgs door Ivo van Vulpen. Toegang gratis.

Meer over