Deeltjesfabriek CERN gaat knallen

Honderd meter onder Genève bouwen technici en natuurkundigen aan de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Daarmee willen ze raadsels van de moderne natuurkunde oplossen. De Large Hadron Collider gaat vanaf september 2008 op zoek naar het mysterieuze Higgs-deeltje en naar het verschil tussen materie en antimaterie. Met wat mazzel produceert de LHC zelfs piepkleine zwarte gaten.

door

In de ondergrondse tunnels van CERN rijden technici op een vouwfiets langs 27 kilometer aan peperdure supergeleidende magneten. Nauwe gangetjes, honderd meter onder de buitenwijken van Genève, verbinden detectorhallen zo groot als het Paleis op de Dam. Vanaf eind 2008 jaagt het gigantische bouwwerk deeltjes met de lichtsnelheid tegen elkaar en onderzoeken natuurkundigen van over de hele werld de botsingen om de basiskrachten van het heelal te begrijpen. Nederlandse journalisten mochten een dag rondstruinen op CERN voor de deeltjesversneller in bedrijf gaat.

Bij het CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire – Europees centrum voor kernfysica) experimenteren natuurkundigen al sinds 1957 met de allerkleinste deeltjes. De 27 kilometer lange tunnel waarin de LHC komt te liggen loopt op honderd meter onder de grond en bood tot 2000 onderdak aan de voorganger van de LHC, de Large Electron Proton collider LEP. CERN ligt vlakbij het vliegveld van Genève (links onderin) en kruist op twee punten de grens tussen Frankrijk en Zwitserland.
bron: CERN photo.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Deeltje kwijt – Atlas zoekt naar Higgs

Simpele vragen zijn het moeilijkst, weten natuurkundigen. Waarom hebben deeltjes bijvoorbeeld massa? Volgens de simpelste versie van het Standaard Model, dé theorie van elementaire deeltjes, wegen alle deeltjes net zoveel als licht – helemaal niets. De weegschaal zegt toch echt iets anders, dus ontbreekt er iets aan de formules. De Brit Peter Higgs zag als eerste een oplossing voor het massaprobleem van het Standaard Model. Een overal aanwezig krachtveld zou deeltjes afremmen, alsof ze niet door lege ruimte maar door stroop bewegen. Elke soort deeltje voelt een andere weerstand van de Higgsstroop – ieder zijn eigen massa.

Om te controleren of ‘het Higgs’ echt bestaat en hoe zwaar het is, gaan natuurkundigen met de 44 meter lange en 22 meter hoge Atlas-detector op zoek naar het ontbrekende deeltje. Zoeken naar een speld in een hooiberg: theoreten denken dat in de Atlas maar bij één van de 400 miljoen deeltjesbotsingen per seconde een Higgs ontstaat. Dat valt na een fractie van een seconde uiteen in andere deeltjes. Lagen van detectoren rond het botsingspunt zoeken naar het typische vervalspatroon van het Higgsdeeltje. Zo willen de natuurkundigen de precieze eigenschappen van het massagevende deeltje achterhalen. Ook de CMS-detector aan de andere kant van de LHC-ring gaat op zoek naar het Higgsdeeltje.

De ATLAS-detector van CERN’s nieuwe deeltjesversneller LHC is 44 meter lang en 22 meter hoog. De lagen en lagen van meetapparatuur zijn elk gevoelig voor andere soorten deeltjes. ATLAS gaat vanaf eind 2007 op zoek naar het Higgs-deeltje, dat volgens natuurkundigen alle andere materie van massa voorziet.
bron: CERN photo.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Uit indirecte metingen is de waarschijnlijkste Higgsmassa af te leiden: 90 GeV (miljard elektronvolt – zie kader massa en energie), honderd keer zo zwaar als het proton. Bestaande versnellers hebben genoeg vermogen om deeltjes van die massa te produceren, maar konden tot in 2006 geen duidelijk Higgsspoor vinden.

‘De LHC brengt genoeg energie bijeen om zelfs een opmerkelijk zwaar Higgsdeeltje van 200 GeV te maken’, vertelt Stan Bentvelsen. Hij is hoogleraar deeltjesfysica en projectleider van de Nederlandse bijdrage aan het Atlas-experiment. ‘Als wij het Higgs-deeltje niet vinden, is dit deel van het Standaard Model failliet’, geeft Bentvelsen toe. Natuurkundigen moeten dan andere, ingewikkelder verklaringen bedenken voor het ontstaan van massa.

Massa of energie

In de vacuümbuizen van de LHC racen vanaf eind 2007 pakketjes twee bundels protonen (geladen bouwstenen van atoomkernen) rond met bijna de lichtsnelheid. In één van de drie detectoren botsen die bundels op elkaar en ontstaat uit de samengeperste energie een lawine aan nieuwe deeltjes. Hoe meer beschikbare energie, hoe zwaarder en exotischer de geproduceerde deeltjes en dat is natuurlijk interessant voor een onderzoeker die zijn theorie wil testen in extreme omsatndigheden.

Deeltjesfysici rekenen met de energiemaat elektronvolt (eV: 1,6 × 10-19 joule). Dat is de hoeveelheid energie die een elektrisch veld van één volt geeft aan een deeltje met één elektronlading. In de LHC lopen twee protonbundels tegen elkaar in, elk met een energie van 7 tera-elektronvolt (TeV): 7000 miljard elektronvolt, voor een totale energie van 14 TeV per botsing. Voorganger LEP kwam maar tot 104 GeV (GeV: één miljard elektronvolt).

Einstein toonde het met E = mc2 aan in de relativiteitstheorie: massa (m) en energie (E) zijn inwisselbaar. Massa kun je omzetten in energie, zoals in een kerncentrale of in het hart van de zon. Uit de botsingsenergie in een deeltjesversneller kunnen omgekeerd ook nieuwe deeltjes ontstaan. Daarom rekenen deeltjesfysici niet met de massa van een deeltje, maar met de energie die nodig is om het te maken. Een elektron ‘weegt’ dan 0,511 MeV (miljoen eV), een proton 938,3 MeV (bijna een miljard elektronvolt) en het Higgsdeeltje, als het ooit wordt gevonden, meer dan 112 GeV: 112 keer zo zwaar als het proton.

bron: CERN Photo.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Mijnwerkers

Wie in de LHC-tunnel rondloopt kan zich nauwelijks voorstellen dat hier de diepste raadsels van het heelal worden onderzocht. In de ondergrondse tunnels heerst de techniek. Onopvallende bovengrondse loodsen verbergen de liften naar beneden, zoals vlakbij de LHCb detector. Als de liftdeuren opengaan stroomt een menigte vermoeide technici naar buiten. Je zou ze bijna aanzien voor mijnwerkers: vuile overalls, gereedschapskist in de handen, veiligheidshelmen boven vermoeide gezichten.

Ineens dringen de details door: zuurstofmaskers aan de riemen voor het geval dat het koelsysteem van de versneller barst en de tunnel volpompt met heliumgas. Vouwfietsen met het CERN-logo om door de kilometerslange ‘werkplaats’ te bewegen. Deze lassers koppelen supergeleidende magneten van een half miljoen euro per stuk.

Technicus aan het werk bij CERN: de lasser verbindt twee buiselementen van de LHC-versneller met elkaar. De buizen zijn met grote precisie tegen elkaar geplaatst, zodat de deeltjesbundels die ze vervoeren geen schok voelen bij de buisovergangen.
bron: CERN photo.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Niet alleen de immense detectoren, ook de onzichtbare details van de LHC zijn indrukwekkend. Hoogleraar Stan Bentvelsen en zijn collega’s hebben allerlei vergelijkingen paraat om de versneller te beschrijven. Op volle toeren zit er bijvoorbeeld meer energie in de deeltjesbundels dan in een konvooi van 80 voortrazende vrachtwagens en slurpt CERN tien procent van de lokale energievoorziening op. Deeltjes flitsen met 99,9999% van de lichtsnelheid langs, 11.000 keer per seconde. Om ze in hun 27 kilometer lange cirkelbaan te houden zijn miljoenen euro’s aan supergeleidende magneten nodig.

IJskoude magneten van een half miljoen

In de LHC worden geladen deeltjes (protonen of complete kernen van loodatomen) met bijna 300.000 km/s rondgeslingerd. Elk rondje door de versnellercirkel pompen radiobundels meer energie in de deeltjes en komen ze een stapje dichter bij de lichtsnelheid. Om ze in hun baan te houden zijn sterke magneten nodig. ‘We moeten wel supergeleiders gebruiken’, vertelt Bentvelsen: ‘gewone elektromagneten zouden smelten onder de belasting die we gebruiken. Bovendien verlies je in een normale geleider bergen energie aan de weerstand.’

De LHCb-detector is bedoeld om het verschil tussen materie en antimaterie in kaart te brengen. Vlak voor de detectorhal is een toegang tot de versnellertunnel. Een meterslange betonnen muur op rails kan de tunnel afsluiten als de LHC in bedrijf is, want de rondlopende protonbundels slepen dodelijke straling mee. Zelfs dat is niets vergeleken met wat twee botsende protonbundels aan straling opleveren: ‘de elektronica die de detector aanstuurt zit verscholen achter die dikke stalen wand ’, wijst Stan Bentvelsen: ’als de botsingen bezig zijn, zou elke computer in deze hal gestoord worden door de straling.’
bron: CERN photo.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Om de LHC-magneten supergeleidend te krijgen worden ze met vloeibaar helium afgekoeld tot -271 oC. Dan valt de elektrische weerstand weg en produceert het apparaat magneetvelden tot 100.000 keer zo sterk als het aardmagneetveld. Elk element van 15 meter lang kost een half miljoen euro en wordt uitvoerig getest voor het de LHC-tunnel in kan. Vóór de test staan de elementen onbeschermd buiten de loods: ze kunnen niet roesten en zijn met een gewicht van 35 ton te zwaar om te stelen.

Close-up van de twee magneten die deeltjes in de cirkelbaan van de LHC houden.
bron: CERN.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Parkeerplaats

‘Alleen de uiteindes van de buis hebben bescherming nodig’, vertelt Frank Linde: ‘we hebben daar gemazzeld. Iemand ontdekte dat een plastic kuip die je in elke doe-het-zelf-zaak kunt kopen precies om de buis past. Dat scheelt toch weer het geld voor op maat laten maken van die afdekking.’ Linde wijst naar een magneet die iets buiten de groep staat. Die kwam niet door de tests heen en is dus eigenlijk waardeloos. ‘Ik probeer te regelen dat we ’m naar Amsterdam mogen halen. Lijkt me prachtig voor de parkeerplaats van het NIKHEF!’

Element van de LHC-versneller. In de twee middelste buizen lopen deeltjesbundels in een hoog vacuüm rond, daaromheen zitten koelelementen en supergeleidende magneten die de deeltjes in hun cirkelbaan houden. Zonder de magneten vliegen de deeltjes uit de bocht en snijden ze dwars door de buis en een paar meter tunnel heen. In geval van nood stuurt een wissel de deeltjesbundel een beam dump in: de energie van een vrachtwagenkonvooi ontlaadt zich dan op vierkante millimeters rots in plaats van op peperdure apparatuur.
bron: CERN photo.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

LHCb – op zoek naar spiegelmaterie

Op 45 graden langs de LHC-tunnel van Atlas staan de gebouwen van de detector LHCb. Daar proberen onderzoekers het verschil tussen materie en antimaterie te begrijpen. Bij elk normaal deeltje hoort een anti-partner met dezelfde massa, maar tegengestelde andere eigenschappen. Bovendien vernietigen een deeltje en een anti-deeltje elkaar als ze botsen. Bij de Oerknal werden materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden aangemaakt, maar in ons huidige heelal zien we alleen gewone materie.

Waar is de antimaterie gebleven? Volgens het Standaard Model ontstaat normale materie íets makkelijker in subatomaire processen, maar de voorspelde afwijking is te klein om de complete afwezigheid van antimaterie te verklaren. Met LHCb onderzoeken natuurkundigen het verschil tussen materie en antimaterie nauwkeuriger dan ooit tevoren. Hopelijk komen ze er zo achter waarom het heelal een voorkeur heeft voor “ons soort deeltjes” in plaats van voor een 50-50 verdeling van de twee soorten.

Overzicht van de ondergrondse LHC-ring en de ligging van de detectoren.
bron: CERN.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Nieuwe natuurkunde

Met de vondst van het Higgs-deeltje en een beter begrip van antimaterie zijn de LHC-fysici nog lang niet tevreden. Ze hopen na tientallen jaren van alleen maar nette experimentele bevestiging van het Standaard Model eindelijk eens tekenen van nieuwe natuurkunde te zien. Bij steeds hogere energieën, waarbij één deeltje zoveel energie kan dragen als een F16 op topsnelheid, doen de formules van het Standaard Model geen bruikbare voorspellingen meer. In het moderne heelal komen zulke energieën nauwelijks voor, maar tijdens de Oerknal waren ze maar al te gewoon. Om het begin van ons heelal te begrijpen is er “iets anders” nodig dan het Standaard Model. Met de LHC hopen natuurkundigen de eerste hints van die nieuwe natuurkunde te vinden.

Zwarte gaten: snaren in de versneller

Een paar deeltjes die zó hard op elkaar klappen dat ze even een zwart gat vormen bijvoorbeeld; volgens een variant van de nog ongeteste snaartheorie kan de LHC zien hoe die kortlevende minigaten ontstaan en weer verdampen in een karakteristieke hagel van elementaire deeltjes. Misschien kan de LHC met de vondst van microgaten uitwijzen welke soort snaartheorie in ons heelal de scepter zwaait.

Volgens de snaartheorie zijn verschillende deeltjes als elektronen en neutrino’s niets anders dan verschillende trillingen in één en dezelfde soort snaar. Die snaren bewegen in een heelal van niet drie, maar negen haaks op elkaar staande dimensies. Waarom zien we die extra richtingen niet? In zes van de negen dimensies is het heelal volgens snaartheoreten zó klein, dat je maar een planck-lengte in die richting kunt bewegen: 1,6 × 10-35 meter. Vandaar dat wij metersgrote wezens er totaal geen sporen van zien in de dagelijkse wereld.

Voor deeltjesversnellers ligt dat anders. Afhankelijk van hoe groot de “opgerolde dimensies” precies zijn kan de LHC zwarte gaatjes produceren – of niet. Ook de snelheid waarmee zulke gaatjes weer verdwijnen hangt af van de precieze vorm van de extra dimensies. Dat soort gegevens helpt snaartheoreten hun theorieën verder bij te schaven.

Als in de ATLAS-detector een Higgsdeeltje ontstaat, vervalt dat bijna direct in vier muonen, zwaardere versies van het elektron (gele lijnen). Helaas voor de natuurkundigen van CERN komt bij de botsing tussen twee protonen waarbij het Higgsdeeltje ontstaat ook een lawine van andere deeltjes vrij. Zelfs de muonen vervallen weer in lichtere deeltjes. Alleen door alle geproduceerde deeltjes te vangen, te wegen en hun energie te meten is uit te rekenen wat er tijdens de botsing gebeurde.
bron: CERN.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

De LHC moet uiteenlopende vraagstukken in de moderne natuurkunde oplossen. Toch is de vondst van bijvoorbeeld het Higgsdeeltje niet het einde van een vakgebied, maar juist het begin van nieuw onderzoek, filosofeert de kersverse hoogleraar Nicolo de Goot van de Radboud Universiteit. Frank Linde is het ermee eens. Terwijl de LHC nog niet eens af is, denkt hij al aan nóg grotere projecten.

‘Eigenlijk is de LHC een grof apparaat’, vertelt Linde: ‘je schiet met het ene zakje quarks op het andere en krijgt dan veel afval in je botsingen’. De voorganger van de LHC, de LEP, gebruikte in plaats van protonbundels elektronen en hun antideeltjes, de positronen. Bij elke botsing waren maar twee deeltjes betrokken. Linde: ‘ik zou graag met een sterkere versie van de LEP de details van het Higgs in kaart brengen. Zo’n versneller kan precisiewerk leveren waar de LHC alleen grove lijnen in kaart brengt. Natuurlijk, de LHC maakt prachtig onderzoek mogelijk. Maar álle raadsels van de natuurkunde oplossen? Zo ver zijn we nog lang niet!’

Over het Standaard Model en verder

Antimaterie