Vertraagde versneller

Op de grens van Frankrijk en Zwitserland bouwen Nederlandse natuurkundigen mee aan nieuwe kolossale detectoren die op zoek gaan naar de oerknal....

Eerste associatie: de complexe ingewanden van een enorm ruimteschip. Overal draden, pijpen, kasten vol elektronica, stalen balken, stekkers, smalle verende loopbruggetjes boven metersbrede kabelgoten, knipperende indicator-lampjes.

Technici in overall zitten met looplampen in ongemakkelijke poses bij opengeschroefde onderdelen en overleggen in het Italiaans of Russisch. Een portofoon kraakt. Verderop, nog net zichtbaar in de wirwar van techniek, bliksemt een lasapparaat.

De Amsterdamse deeltjesfysicus Stan Bentvelsen zit op zijn hurken, met veiligheidshelm op het hoofd, bij het punt waar over een paar jaar protonen op elkaar moeten botsen. Hij gebaart om zich heen. ‘Je kunt het wel steeds hebben over de nieuwe deeltjes waar we straks naar op zoek gaan, maar realiseer je één ding: daarvoor moet al deze apparatuur, dit hele immense apparaat van 46 meter lang en 25 meter doorsnee, het eerst gewoon doen. Zonder werkende detector zien we helemaal geen deeltjes.’

Bentvelsen, een jonge hoogleraar uit Amsterdam, zegt het met een sardonische grijns die de zorgen moet maskeren.

Want zorgen zijn er. Vooralsnog werkt ATLAS, het grootste en meest complexe apparaat dat ooit werd gebouwd om elementaire deeltjes te bestuderen, namelijk niet. Door iets lulligs, zoals dat altijd gaat met dit soort dingen. Verwarmingselementen in het helium-koelsysteem blijken de laatste weken spontaan door te branden. Niemand weet waarom of wanneer. Niemand weet dus wat er aan moet gebeuren. ‘Het is uiteindelijk altijd de plumbing’, zucht Bentvelsen. Het blijft een godswonder dat ze toch echt ooit werken, de detectoren van de deeltjesfysica.

Gelukkig is er het eeuwige uitstel. Volgens de planning moest de ATLAS dit voorjaar al klaar zijn, maar dat werd al gauw november 2007. Eind mei gaat op het lab het gerucht dat het pas maart 2008 wordt. Frustrerend, natuurlijk, voor de fysici die nieuwe deeltjes willen vinden. Maar het geeft de technici ruimte om alles echt op orde te krijgen.

Wat niet wil zeggen dat er niet gemopperd wordt. In de wandelgangen van het hoofdgebouw, in het restaurant boven de spaghetti carbonara, op het terras bij het bier. De directie moet zeggen waar we aan toe zijn, is de klacht. Iedereen weet nu wel dat er vertraging is. Maar zég dat dan gewoon.

Wie het Europese versnellercentrum CERN bij Genève bezoekt, kan maar beter wennen aan grote getallen en grote machines. Het centrum bestaat bij de gratie van de cirkelvormige versneller die met een omtrek van 27 kilometer honderd meter onder de grond van het Meer van Genève tot aan de voet van de Jura reikt. De versneller is van CERN, de detectoren (‘experimenten’, in het jargon van de fysici) zijn van instituten in de deelnemende landen.

Sinds 1989 stond er al een deeltjesversneller in de tunnel, de LEP, maar die is gesloopt. Het moest nog krachtiger. Sinds 2001 is in de tunnel de Large Hadron Collider in aanbouw, verreweg de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. In de buis, die in zijn geheel door 1800 supergeleidende magneten wordt omsloten, worden in twee richtingen protonen, de kernen van waterstofatomen, tot immense snelheid opgejaagd. De energie die ze daardoor krijgen, komt overeen met omstandigheden die alleen vlak na de oerknal heel even hebben bestaan. Uit de klap van de botsingen kunnen nieuwe deeltjes ontstaan. Die vliegen door de detectoren en laten daar sporen na waaruit fysici kunnen afleiden wat hun massa is, hun energie, hun lading. En dus hun identiteit.

De kunst daarbij, legt Bentvelsen uit, is om de banen van loskomende deeltjes tot op micrometers nauwkeurig te bepalen – met een detector die zo groot is als het Paleis op de Dam. Dat vergt krankzinnig verfijnde systemen waarin de deeltjes door smalle oplichtende siliciumstrips vliegen of langs hoogspanningsdraden in gasbuizen, deels ontwikkeld en gebouwd op het Nikhef in Amsterdam. De hele detector is ermee volgepakt, en spuwt miljarden signalen per seconde uit.

Een pakhuis vol elektronica, gebouwd in een tweede ondergrondse hal, moet daaruit de interessante gebeurtenissen filteren. Waaronder de gedroomde gebeurtenis: de verschijning van het zogeheten Higgs-boson.

Volgens de gangbare theorie hebben deeltjes geen massa. In het echt wegen ze wel iets. Dat komt, is het vermoeden, door invloeden van tot nog toe onontdekte deeltjes. Deze Higgs-bosonen zijn, is de hoop, te vinden met de energie van de LHC-versneller.

Dat zal geduld vergen, vertelt Bentvelsen. Zelfs zonder extra uitstel. ‘De processen die wijzen op Higgs zijn naar verwachting zo zeldzaam, dat het jaren duurt voor we genoeg aanwijzingen hebben.’

Het is zelfs niet denkbeeldig, zegt zijn collega Nicolo de Groot, hoogleraar te Nijmegen, dat heel andere verschijnselen eerst de aandacht zullen trekken. Zo is er de theorie van de supersymmetrie, die voorspelt dat de bekende deeltjes allemaal zwaardere partners hebben. Die zouden, alweer in theorie, vanaf dag één uit de botsingen kunnen spuiten. ‘Er is één manier om dat uit te vinden: meten.’

Zover is het dus nog even niet. In de koele versnellertunnel, met blauwe supergeleidende magneten zover het oog reikt, wijst fysicus Arjen Verweij op een oranjerood bakbeest van een elektromagneet. Met sierlijke witte letters staat er Fermilab op de zijkant.

Zo’n ding is dus de boosdoener van de laatste vertraging, wijst Verweij, een atletische bedachtzame veertiger met het verplichte gasmasker aan zijn riem, hier beneden nodig als er ergens helium lekt. De rode Amerikaanse magneten zijn ontworpen om de protonenbundels zo dun mogelijk te krijgen voor ze in de detector op elkaar mogen botsen. Dat werkt prima, is uit alle tests duidelijk geworden. Maar bij een noodstop dit voorjaar knalde zo’n magneet bijna uit elkaar doordat sommige onderdelen elkaar onverwacht verwrongen. Het is nog goed afgelopen, zegt Verweij. ‘In elke magneet zit evenveel energie als in een aanstormende vrachtwagen.’

De Amerikaanse bouwers hebben inmiddels met het schaamrood op de kaken reparaties en aanpassingen toegezegd. De directeur is persoonlijk poolshoogte komen nemen in Genève. Deemoedig. Maar de maandenlange vertraging voor de LHC kon hij daarmee niet wegnemen.

Verweij moet lachen om het complot dat Franse media suggereerden: het Amerikaanse Fermilab zou de boel saboteren omdat zijn eigen Tevatron-versneller nu al speurt naar de deeltjes die ook de veel sterkere LHC wil vinden. ‘Het lijkt me sterk dat ze hun prestige op het spel zetten’, zegt hij.

Scheurend over de Zwitserse landweggetjes in een van de vele witte Fiat Panda’s van CERN maakt ook fysicus Freya Blekman zich over de concurrentie van Fermilab in Chicago nauwelijks zorgen. ‘Als ze een indicatie van de Higgs zouden zien, dan zou dat allang rondzingen op workshops en colloquia. Ik merk er niks van.’

De Nederlandse is na een baan in Engeland net in dienst gekomen van Cornell University, maar ze is permanent gestationeerd op CERN. Af en toe vliegt ze naar New York om college te geven.

Nu is ze op weg naar de locatie van haar eigen Higgs-detector, de Compact Muon Solenoid CMS. het apparaat wordt in huizenhoge achtkantige schijven vol detectoren, koelsystemen en elektronica boven de grond opgebouwd, en daarna in een schacht naar honderd meter diepte getakeld.

De kolos komt diametraal tegenover ATLAS aan de andere kant van de 26 kilometer grote versnellercirkel. Ze moeten elkaars waarnemingen verifiëren, is het idee.

En ze moeten elkaar opjutten om als eerste de hoofdprijs te vinden: de Higgs-bosonen.

Van die wedstrijdspanning is in de assemblagehangars van CMS vooralsnog weinig te merken. Het zonnetje schijnt over de landerijen, hier en daar staart een technicus vanaf een steiger bedachtzaam naar een detail in een van de big wheels waarvan er nog steeds enkele boven de grond staan. En beneden, in de cavern, is alles even groot en complex als bij de concurrerende ATLAS. Veel volk is er niet, op een groep softwaretesters na, die jolig de virtuele deeltjesbotsingen op hun scherm bespreken. Op andere monitors flitsen eindeloze regels programmeertaal voorbij.

Enig respijt, erkent Blekman, een robuuste Amsterdamse met het begin van een Amerikaans accent, is best welkom. Het CMS heeft een paar akelige tegenslagen te verwerken gehad, ondermeer doordat de Russische leverancier van loodglas dat oplicht als er deeltjes doorheen vliegen, doodleuk niet leverde.

Van haast is bij ALICE, de derde van de vier detectoren in de LHC-ring, vooralsnog helemaal geen sprake. Dat experiment, zegt de Utrechtse fysicus Gert-Jan Nooren, heeft al helemaal de tijd. Het gaat geen botsingen van protonen bestuderen, maar van hele loodkernen. Die zware kernen geven elkaar een nog veel heftiger klap als ze botsen en bieden dan misschien een blik op de oersoep vlak na de Big Bang.

Maar zeker de eerste jaren, zegt Nooren in de lift naar de ondergrondse hal, die is geërfd van een detector uit de gesloopte LEP-versneller, zal er geen sprake zijn van loodbundels in de LHC. ‘In eerste instantie zal alles zijn gericht op protonbotsingen. Daar zit naar verwachting de nieuwe fysica.’

Op de LHCb-site, onderin een peilloze schacht achter het parkeerterrein van de plaatselijke Le-clerc supermarkt, kunnen ze daarentegen haast niet wachten. LHCb is bedacht om te speuren naar verschillen tussen materie en antimaterie, legt fysicus Wouter Hulsbergen in de stampvolle ondergrondse hal uit. Een avontuur, want dat is nog nooit bekeken, bij de energie van de LHC.

Overal staan plukjes technici in de ondergrondse wirwar van detectoronderdelen, hectisch worden er kabels getrokken, aansluitingen gecheckt. Uit het gat in het plafond daalt aan de hijskraan een hele hoogwerker neer, met zwaailichten aan. In een soort spinnenweb van stralingsarme staaldraad hangt het uiteinde van de LHC-bundelpijp tussen magneetpolen die er als een grote gele orchidee omheen welven. Een gat in de muur naar de tunnel geeft aan waar de bundelpijp aangesloten moet worden.

Hulsbergen heeft de geruchten gehoord over uitstel van de bundel. Tot maart 2008. Of nog weer later. ‘Maar wij blijven bij ons schema van november’, zegt hij in de lift naar beneden. ‘Je bouwt altijd door tot het laatste moment. Maar de basis moet er staan.’

De avond valt over het Frans-Zwitserse grensgebied. Op een terras in een van de dorpen met uitzicht op de glooiende heuvels van de Jura glimlacht wetenschappelijk directeur Jos Engelen van CERN over het gemopper op het lab. In principe, houdt hij vol, is er geen probleem. November was bedoeld om voorzichtig op lage energie met de versneller te gaan draaien. Dat blijkt door een reeks kleine tegenslagen niet haalbaar.

Dus wordt het plan B: wat later beginnen, maar dan wel meteen bij volle energie. ‘De fysici krijgen hun bundel’, belooft Engelen.

Soms, zegt hij met een goed glas regionaal wit bij een prachtige ganzenbout, is gebrekkige informatie ook nuttig. ‘Als ik nu zeg dat we de tijd hebben, gaat iedereen weer allerlei nieuwe dingen aan z’n detectoren doen. Fysici zijn nooit klaar, ze blijven klooien.’

Nagekomen bericht: deze zomer besloot de CERN Council officieel dat de LHC in mei 2008 zal opstarten. Op volle energie. ‘Zoals voorzien’, aldus het persbericht.

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.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden