Nieuwe ronde voor deeltjesversneller LHC

Fysici hebben het over weinig anders: in Genève gaat de deeltjesjacht verder met de grootste versneller op aarde. Ze hopen vooral op iets onbegrijpelijks.

Deeltjesversneller LHCBeeld AFP

Het verhaal van de bouwstenen van de schepping leek klaar, toen in 2012 het Higgsdeeltje werd gevonden, het deeltje dat alle andere deeltjes massa geeft en daarmee de sluitsteen vormt van de deeltjestheorie. Maar wie denkt dat de natuurkunde daarna vrijaf nam, heeft het mis.

Uitgerekend aan de machine die twee jaar geleden higgs vond, de Large Hadron Collider op deeltjeslab CERN in Genève, is sindsdien met man en macht verder gesleuteld. Alle 9.593 magneten in de bijna 27 kilometer lange cirkelvormige tunnel onder de voetheuvels van de Jura zijn nagekeken of verbouwd, alle hoogspanningscontacten vervangen, net als in de 1.232 stuurmagneten en de 392 focusmagneten. De elektronica is verbeterd. Detectorsystemen zijn geüpgraded. Software en computersystemen verbeterd.

Sinds februari zijn de deuren naar de tunnel verzegeld en koelt vloeibaar helium de supergeleiders beneden tot minder dan 2 graden van het absolute nulpunt. Mogelijk al de komende week zal voorzichtig de eerste naalddunne bundel protonen door de versneller rondzoeven. En in mei, na eindeloze tests en inregelwerk, gaat het los: dan zullen in de LHC voor het eerst protonen harder op elkaar botsen dan natuurkundigen ooit eerder voor elkaar kregen. Onder fysici gaat het dezer dagen wereldwijd over weinig anders dan run-2 van de LHC.

De buitenstaander zal het waarschijnlijk verbazen, maar ondanks alle werk is de nieuwe LHC in feite precies dezelfde machine als waarmee in 2012 het befaamde higgsdeeltje op CERN werd gevonden. 'De eerlijkheid gebiedt te zeggen dat we eigenlijk nu pas de superversneller gaan gebruiken zoals hij in 2008 was bedoeld om de higgs te vinden en dan daar voorbij', zegt directeur Stan Bentvelsen van het Nikhef-deeltjeslab in Amsterdam, partner van CERN. 'De eerste vier jaar hebben we ons noodgedwongen nogal moeten inhouden.'

Reden voor die terughoudendheid was de kortsluiting in de versneller op 19 oktober 2012, een paar weken na de start. Vloeibaar helium explodeerde, de versneller en magneten raakten ontzet. De versneller werd een jaar lang stilgelegd voor reparaties, maar besloten werd ook daarna niet vol gas te gaan. De eerste jaren moesten de fysici het doen met de helft van de beoogde energie. Februari 2013 ging, met de higgs in de pocket, de stekker er helemaal uit voor groot onderhoud.

Dat is nu afgerond en de machine is klaar voor de volle mep. In de versneller worden protonen in twee richtingen opgejaagd tot vlak bij de lichtsnelheid, twee haardunne bundels die op twee plaatsen in de ring kruisen. Daaromheen staan twee kolossale detectoren, de deels Nederlandse Atlas en de concurrerende CMS, die de sporen van de miljarden uiteenspattende protonen individueel kunnen volgen en vastleggen. Dat gebeurt bij een energie van 13 tera-elektronvolt (TeV), de energie waarmee een tennisbal een krater van 10 kilometer in een sintelbaan zou slaan, maar dan samengebald in twee deeltjes.

Die hogere energie, zegt Bentvelsen, is maar één deel van het verhaal. 'Daarmee betreden we een veel groter gebied waarin we al dan niet effecten en nieuwe deeltjes zullen zien. Maar daar komt vooral ook een veel hogere intensiteit nog bij, waardoor we steeds meer botsingen per seconde maken. De bottleneck wordt steeds meer of we al die data nog wel kunnen handlen.' Als alles goed gaat, rekent CERN in een brochure voor, heeft de LHC tot nu maar 1 procent van alle botsingen geleverd die de machine in zijn geplande twintigjarige bestaan moet geven.

'Dat we daarin het nieuwe higgsachtige deeltje konden vinden, was natuurlijk fantastisch. Maar eigenlijk werd het ook wel ongeveer daar verwacht', zegt Bentvelsen. Het higgsdeeltje, dat hoort bij een universeel veld dat als een soort stroop bewegende deeltjes hun massa geeft, was de sluitsteen van de gangbare deeltjestheorie, vervat in het zogeheten Standaardmodel. Maar tegelijk is het ook het laatste vertrouwde bouwwerk in een onbekend landschap dat zich nu voor de deeltjesfysici in Genève uitstrekt.

Wat eraan komt, zegt emeritus hoogleraar theoretische fysica Sander Bais het mooi, is wat hij in lezingen graag een Van Leeuwenhoek-moment noemt. 'Zoals Antoni van Leeuwenhoek in de 17de eeuw als eerste een microscoopje op slootwater richtte en daarin eencelligen ontdekte, zo is de LHC een instrument dat nieuwe onbekende werelden gaat blootleggen. Er zijn talloze verhalen over draken en reuzen en verre continenten. Nu gaan we zien wat ervan klopt.'

Met dank aan Stan Bentvelsen (Nikhef/Atlas), Freya Blekman (VU Brussel/CMS), Nicolo de Groot (Radboud/Atlas), Sander Bais (UvA), Jos Engelen (NWO, voorheen CERN), Sijbrand de Jong (Radboud/CERN) en Ivo van Vulpen (Nikhef/Atlas).

Op het verlanglijstje van de deeltjesfysica

MEER HIGGS
Het deeltje dat in 2012 met veel fanfare werd ontdekt op CERN heeft een massa van 125 GeV (giga-elektronvolt, een typische versnellermaat voor de massa van deeltjes). Volgens veel theoretici is dat eigenlijk wat te licht voor het deeltje dat in het Standaardmodel de rol speelt van massagevend deeltje à la higgs. Misschien, is het idee, is het daarom het lichtste lid van een grotere familie higgsdeeltjes. In dat geval duiken de zwaardere familieleden kennelijk pas op als protonen met hogere energie op elkaar worden geschoten dan in de eerste run lukte. Of dat bij de 13TeV van de LHC in vol bedrijf gebeurt, weet niemand. Dat is een kwestie van botsen en meten.

BETERE HIGGS
Zelfs als het in 2012 gevonden deeltje van massa 125GeV inderdaad een higgsdeeltje is, is er nog steeds veel aan te ontdekken. De overige eigenschappen die theoretici voorspellen of eisen, zijn nog niet allemaal gemeten. Daarbij komt het aan op grote precisie. Het higgsdeeltje geeft andere deeltjes hun massa, en is daarom het sterkst verbonden met zware deeltjes. Het werkt daarom als een soort antenne voor zwaardere deeltjes die net buiten het bereik van de LHC-versneller liggen. Dat is af te lezen aan subtiele afwijkingen van het allersimpelste higgsdeeltje dat theoretici zich voorstellen.

SUPERSYMMETRIE
Een potlood dat op zijn punt gezet wordt en omvalt, kiest één richting. Maar in feite had dat elke richting kunnen zijn en is er dus sprake van een rotatiesymmetrie in, in dit geval, de theorie van de zwaartekracht. Voor de deeltjestheorie geldt iets vergelijkbaars. De bekende deeltjes en krachten lijken eigenlijk nog het meest op een toevallige versie van een veel groter geheel van mogelijkheden. Theoretici spreken in dat verband graag over supersymmetrie, liefkozend SUSY genoemd. Dat is een theorie die veronderstelt dat de zichtbare deeltjes zwaardere partners hebben en die diepere symmetrie in de theorie brengen. Bij hogere energie in de LHC-versneller kunnen sommige superdeeltjes misschien wel worden gemaakt. Als dat gebeurt, gaan theoretici juichtend de straat op, is de verwachting.

DONKERE MATERIE
Astronomen weten allang dat zeker 85 procent van het heelal uit iets anders dan de gangbare materie moet bestaan. Sterrenstelsels zonder die donkere materie zouden door hun rotatie uit elkaar moeten vliegen. Met de opgevoerde LHC hopen fysici deeltjes te ontdekken waaruit die donkere materie opgebouwd zou kunnen zijn. Een kandidaat is bijvoorbeeld het lichtste supersymmetrische deeltje. Dat moet stabiel zijn, omdat het niet naar lichtere deeltjes kan vervallen. Zichtbaar is het niet, dus in de metingen is het zoeken naar deeltjesprocessen waarin iets ontbreekt.

IETS ONBEGRIJPELIJKS
Veel natuurkundigen zouden er hun rechterhand voor geven om als eerste een volkomen nieuw deeltje of effect te ontdekken in de oeverloze stroom data van de protonbotsingen in de LHC. De kans op persoonlijke eer is overigens klein: boven de meeste CERN-publicaties staan gemakkelijk vele honderden auteurs.

EXOTICA
Wat lager op de lijst staan de nog speculatiever verlangens van sommige fysici. Een ervan is de ontdekking van meer dimensies dan de bekende drie (of vier, de tijd meegerekend). Volgens sommige theoretici zouden deeltjesprocessen via sluiproutes in ruimte en tijd soms net wat gemakkelijker of juist gecompliceerder kunnen verlopen. Volgens sommige theorieën kunnen extra dimensies zelfs de langgezochte relatie tussen de deeltjeswereld en de zwaartekracht blijken. Zoiets ontdekken vergt waarschijnlijk eindeloze precisiemetingen, zelfs met een supermachine als in Genève. Maar de LHC heeft volgens het garantieboekje daar wel twintig jaar de tijd voor. Een andere optie is de vondst van zogeheten magnetische monopolen, deeltjes die een losse noord- of zuidpool zijn. Op papier weten theoretici, onder wie Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft, bijna zeker dat ze moeten bestaan. Of de LHC er genoeg slagkracht voor heeft, weet niemand.

BREAD 'N' BUTTER
Al het potentiële deeltjesspektakel van higgsfamilies of supersymmetrie ten spijt zijn er ook natuurkundigen die het zoeken in precisiemetingen aan bekendere processen. Dat klinkt saai, maar iemand moet het doen. En het kan ook. Niet alleen geeft de LHC-versneller tweemaal zoveel energie, ook de intensiteit van de protonenbundel wordt gaandeweg verdubbeld. De nieuwe stortvloed aan gegevens uit de detectoren maakt meten tot verder achter de komma mogelijk. Voor de liefhebbers geeft dat een statistische goudmijn.

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