1. LHC? Wat is dat eigenlijk?
LHC staat voor Large Hadron Collider, ‘grote hadronen-botser’ in het Nederlands. Hadron is een verzamelnaam voor deeltjes die uit quarks bestaan, zoals protonen en neutronen. Kort gezegd bestaat de LHC uit een enorme cirkelvormige tunnel, waarin twee bundels protonen tegen elkaar in vliegen. Daarbij vinden botsingen plaats tussen die protonen. Bij zo’n botsing komen een heleboel andere deeltjes en energie vrij. Rondom de tunnel staan tal van detectoren om die verschillende deeltjes op te vangen en te bestuderen.
De LHC is de grootste deeltjesversneller ter wereld. De tunnel is 27 kilometer lang en de deeltjes die er doorheen snellen halen snelheden van 99,999999% van de lichtsnelheid. De energie die een enkel piepklein deeltje in de LHC heeft is even groot als die van een mug – niet heel opzienbarend, totdat je bedenkt dat een mug een miljoen miljard miljard keer zo zwaar is als een enkel proton… De omstandigheden in de LHC zijn dan ook niet vergelijkbaar met die in welk ander laboratorium dan ook. Juist dat maakt deze superversneller zo uniek.
2. Waar is dat goed voor, zo’n deeltjesversneller?
Als je naar een insect wilt kijken, neem je een vergrootglas. Om de pootjes goed te kunnen zien is een microscoop misschien wel handig. Zo is er voor iedere meting wel een meetinstrument te bedenken. Als je naar de allerkleinste bouwsteentjes van het universum wilt kijken, haal je het niet meer met een huis- tuin- en keukenmicroscoop. Een deeltjesversneller waarin deeltjes botsen, zoals de Large Hadron Collider, kun je zien als een megamicroscoop. Door de energie van de piepkleine deeltjes naar gigantische waarden op te krikken, worden zelfs de meest minieme reacties meetbaar. De LHC wordt zelfs zo krachtig dat deeltjes die erin gespecialiseerd zijn om zich verborgen te houden, toch gevonden zullen kunnen worden.
Je kunt je afvragen waarom wetenschappers bereid waren om de vele miljarden die nodig waren om de LHC te bouwen te besteden aan het najagen van minieme deeltjes. De LHC is niet de eerste deeltjesversneller: het oudste model werd in 1929 ontworpen. Wel is hij veel krachtiger dan de machines die hiervoor gebouwd werden, waardoor de deeltjes veel hogere energieën bereiken. Met botsingen tussen zulke hoog-energetische deeltjes kunnen we misschien eindelijk een aantal deeltjes en verschijnselen waarnemen die nodig zijn om de rest van de natuur te verklaren. De ontdekking daarvan zal niet direct ons leven overhoop gooien, maar met meer begrip van de natuurkunde komen ongetwijfeld nieuwe ontdekkingen binnen handbereik.
3. Waarom botsen er nu nog geen deeltjes?
Update: Op 23 november 2009 vonden eindelijk de eerste botsingen plaats in de LHC. De energie van de botsingen is nog erg laag, maar tot nu toe gaat alles in ieder geval goed.
Vorig jaar september werd de LHC onder grote mediabelangstelling aangezet. De eerste tests gingen van een leien dakje, maar nog voordat de eerste botsingen plaatsvonden werd de machine alweer uitgezet: door een kapotte verbinding tussen twee magneten lekte er helium de tunnel in. Het opwarmen, repareren en weer afkoelen van de tunnel zou maanden duren, dus besloten de bouwers om de jaarlijkse winterstop van de versneller meteen in te laten gaan.
Het defect bleek het begin van een reeks van tegenslagen. Deze zomer, toen de machine weer aan zou gaan, bleek er lucht in het isolatiesysteem rondom de buizen te lekken. De ingebruikname werd weer verder uitgesteld, tot het najaar. Aan het eind van de zomer werd bekend gemaakt dat de LHC het eerste jaar op halve kracht zal draaien. Zo kunnen de technici aan de machine wennen voordat het echte grote werk gaat beginnen.
Eind oktober 2009 werden er voor het eerst sinds de valse start weer deeltjes in de LHC gepompt. Sindsdien zijn er voorzichtige experimenten uitgevoerd met protonen die steeds verder de tunnel in komen, met als voorlopige record halfrond. Op een incident met een vogel en een stukje brood na lijkt tot nu toe alles goed te gaan. Naar verwachting zal de versneller half november klaar zijn om deeltjes helemaal rond te laten vliegen. Kort daarna zullen dan toch eindelijk de eerste botsingen te zien zijn.
4. Wat gaat deze ‘ontdekkingsmachine’ vinden?
De LHC is gebouwd om naar het antwoord te zoeken op een aantal onopgeloste raadsels in de natuurwetenschappen. De bekendste van die raadsels is dat van het Higgs-deeltje. Dit deeltje werd voorspeld in het standaardmodel van deeltjes waar we de laatste decennia mee werken. De functie van het Higgs-deeltje is om, door interactie met andere deeltjes, de massa van materie te bepalen. Hoe het Higgsdeeltje er precies uit ziet weten we niet. De ‘handtekening’ die het deeltje bij een botsing achter zou laten kunnen we echter wel precies uitrekenen. De jacht op Higgs is al lang bezig, maar experimenten in de LHC kunnen uitsluitsel bieden over een heleboel theorieën die het bestaan ervan nodig hebben. Zelfs als het niet gevonden wordt.
Een tweede raadsel waar de LHC een antwoord op hoopt te vinden is de samenstelling van het heelal. Zwaartekrachtvergelijkingen laten zien dat er een ongelofelijke hoeveelheid massa en energie aanwezig moet zijn die we niet kunnen vinden. Die donkere materie en energie zou wel eens op kunnen duiken in de LHC.
Een vraag die daarmee samenhangt is wat er gebeurde in de fractie van een seconde vlak na de Oerknal. De moderne natuurkunde is niet toereikend om daar betrouwbare berekeningen over te doen. Hoe komt het bijvoorbeeld dat ons heelal vrijwel alleen uit materie bestaat, en niet uit de bijbehorende antimaterie? Bovendien kan de LHC tests uitvoeren die ons vertellen of de snaartheorie misschien de goede manier is om het allerkleinste en het allergrootste met elkaar te verenigen. De LHC wordt zo het eerste laboratorium voor snaartheoretische experimenten.
Het Standaardmodel
In het Standaardmodel van deeltjes komen drie verschillende soorten deeltjes voor: leptonen, quarks en bosonen of krachtdeeltjes. De materie zoals we die om ons heen zien is gemaakt van een combinatie van quarks en leptonen. Deze deeltjes kennen drie families. De bekendste, degene waar wij van gemaakt zijn, is de meest linkse kolom in het schema. Onze atomen hebben een kern van protonen en neutronen, die op hun beurt van up- en down-quarks gemaakt zijn. Om die kern heen vliegen elektronen. Neutrino’s, in de derde rij in het groen, zijn hele kleine, bijna massaloze deeltjes die nodig zijn voor de energiebalans. De tweede en derde kolom zijn andere families van materie, die qua eigenschappen erg op de onze lijken. Ze komen minder voor, en hebben vaak een korte levensduur. In de rechterkolom staan nog vier deeltjes om het verhaal compleet te maken: de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de vier fundamentele krachten.
Maar daarmee is de kous nog niet af. De allerspannendste resultaten van de LHC zijn degenen die we juist niet voorspeld hebben, maar die uit zichzelf komen opduiken in een van de vele detectoren. Een gigantische brij aan exotische deeltjes wordt binnenkort zichtbaar gemaakt. Naar wat daarin zit kunnen we tot dan toe alleen maar gissen.
5. Welke experimenten worden bij LHC uitgevoerd?
Rondom de ronde tunnel waarin de deeltjes rondvliegen staan vier grote experimenten opgesteld. ATLAS en CMS, ALICE en LHC-B. Elk van deze experimenten heeft zijn eigen batterij aan detectoren rondom de tunnel opgehangen en kan zo informatie over een klein deel van alle botsingen in de LHC opvangen.
Natuurlijk hebben niet alle experimenten hetzelfde doel. Twee ervan, ATLAS en CMS, zijn ontworpen om vreemde deeltjes te ontdekken, met name het illustere Higgs-deeltje. Ze doen dit op totaal verschillende manieren, zodat ze elkaar kunnen gebruiken om hun resultaten te testen. LHC-B gaat zich door de hooiberg van botsingen heen werken om een speld te vinden: asymmetrie in de natuur. Zo hopen de onderzoekers bij dit experiment een aanwijzing te vinden over de afwezigheid van antimaterie in ons heelal. ALICE, tenslotte, is een vreemde eend in de bijt: hier worden geen botsingen tussen protonen maar tussen zware loodkernen geanalyseerd. Als ALICE in bedrijf is, moeten de andere experimenten dus even pauze houden. De botsing tussen twee zware atoomkernen levert een heel dicht en onbegrepen plasma op: een quark-gluonplasma. Die toestand kan als een simulatie van het piepjonge heelal vlak na de oerknal worden gezien.
6. Hoe zet je die botsingen om in wetenschappelijke kennis?
In de vier experimenten van de LHC botsen twee bundels deeltjes met ongekend hoge snelheid op elkaar. Volgens de wet van behoud van energie moet alle snelheid die bij zo’n botsing verloren gaat, omgezet worden in andere zaken. Energiepakketjes bijvoorbeeld, licht dus, maar ook een santekraam aan andere deeltjes. Voor alle producten die uit een botsing tussen twee deeltjes kunnen komen staan detectoren om de tunnel heen. Meestal meet zo’n detector een spanningsverschil dat ontstaat als er een deeltje doorheen vliegt.
Maar in de deeltjesversneller vinden per seconde zo’n veertig miljoen botsingen plaats, waarvan er hooguit tweehonderd echt interessant zijn. Er wordt dus een continue brij van meetresultaten geproduceerd. Het is aan de onderzoekers om de zeldzame metingen eruit te vissen waar ze naar zoeken. Om dat te doen hebben ze de hulp van een ongelofelijk krachtig computersysteem: het GRID.
Hoewel er al een immens computernetwerk aan de LHC hangt, kan jij ook een steentje bijdragen aan de bliksemsnelle verwerking van de meetresultaten. LHC@Home is een applicatie die de processorruimte van je computer benut als je hem zelf niet nodig hebt.
Het Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) is een netwerk van zo’n 170 rekencentra in 34 verschillende landen. Dat netwerk zal worden ingezet om de ongekende hoeveelheid informatie die de LHC ieder jaar zal produceren – 1,7 miljard DVDs vol meetgegevens – op te slaan. Met slimme computerprogramma’s wordt dan een eerste voorselectie uit de meetgegevens gehaald. Zo voorkomen we dat ieder plaatje door een mens moet worden bekeken, dat zou onbegonnen werk zijn! De mogelijk interessante plaatjes komen dan op het bureau van de LHC-medewerkers terecht. Zo komen hopelijk de interessante fenomenen die zich verstoppen in een stortvloed van meetresultaten bovendrijven.
7. Wat kan er mis gaan?
Niet iedereen is enthousiast over de bouw van ontdekkingsfabriek LHC. Zo sleepten een Spaanse en een Hawaiiaanse wetenschapper CERN in 2008 voor de rechter, omdat er volgens hen reacties in de versneller plaats zouden kunnen vinden die al het leven op aarde op zouden slokken. De rechter bepaalde naar aanleiding van een uitgebreid onderzoeksrapport dat de angst van de twee wetenschappers ongefundeerd was, en dat de LHC veilig is. Het mag dan wel de krachtigste deeltjesversneller aller tijden zijn, maar het bombardement van kosmische straling dat de aarde dagelijks te verduren krijgt bevat veel meer energie en heeft nog nooit een zwart gat veroorzaakt.
Hoewel het dus wetenschappelijk vast staat dat de LHC niet tot het einde van de wereld zal leiden, zijn er nog kleine groepen mensen die daar niet in geloven. Hun angst wordt gevoed door boeken en films als het Bernini-mysterie, waarin een gramantimaterie uit de LHC Vaticaanstad van de kaart dreigt te vegen. In de LHC kan inderdaad antimaterie worden gevormd, maar voor het verzamelen van een gram antimaterie zouden vele jaren nodig zijn. Bovendien zijn we nog niet in staat om het op te slaan.
Ook de mogelijkheid dat er piepkleine zwarte gaten zullen worden gevormd blijft een bron van speculaties. De theorie over die zwarte gaten wordt onder andere door de beroemde natuurkundige Stephen Hawking ondersteund, maar de kans dat ze daadwerkelijk gevonden zullen worden is heel erg klein. Bovendien zal de levensduur van de zwarte minigaten zo kort zijn, dat ze al ruimschoots verdampt zijn voordat ze ook maar een deeltje tegenkomen om op te slokken.
Voor CERN is de publiciteit over de gevaren van de LHC niet alleen maar vervelend. Inmiddels weet de hele wereld dat de Zwitserse deeltjesfabriek op het punt staat van start te gaan – en dat er spectaculaire vondsten zullen worden gedaan is wel zeker.
Het laatste nieuws over de LHC op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/lhc/cern/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}