LHC-versneller CERN start vandaag

Vandaag wordt bij Genève de grootste deeltjesversneller ter wereld in werking gezet. Wetenschappers hopen met deze machine het bestaan van het Higgsdeeltje aan te tonen.

Genève, 10 sept. Vandaag is het D-Day op het CERN, het Europese Centrum voor deeltjesonderzoek in het Zwitserse Genève. In de loop van de ochtend moet de reusachtige Large Hadron Collider worden aangezet, de grootste en krachtigste deeltjesversneller op de hele wereld. Het apparaat moet eindelijk weer ontdekkingen mogelijk maken in de deeltjesfysica, de tak van natuurkunde die de bouwstenen van de kosmos onderzoekt en de krachten die zulke deeltjes bijeenhouden.

Hoe werkt de deeltjesversneller?

Aan de enorme deeltjesracebaan is, als je het denk- en rekenwerk meetelt, dertig jaar gewerkt. Er is zes miljard euro (de kosten van de experimenten meegerekend) in gestoken. Er zijn duizenden mensjaren aan opgegaan, en de vernuftigste technologie is erin verwerkt.

En nu moeten voor het eerst deeltjes met bijna de lichtsnelheid hun rondjes door deze 27 kilometer lange ondergrondse cirkelbaan gaan draaien. Honderden journalisten zijn ervoor uitgenodigd.

Wordt het echt een feestje? Jos Engelen, wetenschappelijk directeur van CERN, was niet onverdeeld blij met de vooraf geprikte datum, zo liet hij tien dagen geleden doorschemeren tijdens een lezing in Amsterdam. Hij snapte niet hoe de ‘uitstekende’ directeur-generaal van CERN, Robert Aymar, ‘die zich juist nooit onder druk laat zetten’, met dit idee had kunnen instemmen. „Straks zitten al die journalisten daar en dan doet het ding het niet, of niet meteen. Dat gaat dan de hele wereld over.”

Aan de andere kant: er moest toch een deadline vastgesteld worden. En als je dan de hele wereld mee wilt laten feesten, moet je het wel zo aanpakken, zegt Frank Linde. Hij is directeur van het Nederlands instituut voor deeltjesonderzoek, het NIKHEF in Amsterdam, dat met ongeveer 500 andere universiteiten en instituten deelneemt aan CERN en aan de experimenten daar. „Als je een feestje wilt bouwen, kun je niet om vier uur ’s middags zeggen: jongens, het werkt, over een uur beginnen we te feesten”, zegt hij aan de telefoon.

De meeste deeltjesfysici zal het een zorg zijn. Áls de LHC-versneller maar gaat werken. Want het project heeft door bezuinigingen en technische tegenslagen al veel te lang geduurd. De vorige grootste versneller op CERN, de LEP-versneller, sloot zijn glorieperiode definitief af in 2000, acht jaar geleden dus. Daartussen ligt een ‘kale’ periode waarin alleen bij de huidige grootste versneller ter wereld, het Tevatron bij het Amerikaanse Fermilab, vondsten werden gedaan. Daar werd in 1995 bijvoorbeeld ook het bestaan bevestigd van het al langer voorspelde topquark.

Krachtiger

Maar om écht nieuw terrein te ontginnen in de wereld van de allerkleinste deeltjes is een krachtiger apparaat nodig. Zoals dus de LHC-versneller, die veertien keer meer botsingsenergie kan leveren (14 Tera-elektronVolt, ofwel TeV). En om daar een voorstelling bij te hebben: 1 TeV is ongeveer de bewegingsenergie van een vliegende mug, maar de TeV’s zijn bij LHC samengebald in een punt dat een biljoen keer kleiner is dan een mug. De frontale botsingen tussen protonen (positief geladen kerndeeltjes) die bij LHC in tegengestelde richting rond razen, zorgen al met al voor zo’n samenballing van energie dat er deeltjes kunnen ontstaan die nooit eerder zijn waargenomen.

Hét favoriete deeltje is het Higgs-deeltje. Samen met het bijbehorende Higgs-mechanisme moet het verklaren hoe de bouwstenen van onze wereld aan hun massa komen. Het Higgsdeeltje, zo is het idee, vult de ruimte met een veld waarin deeltjes zich niet langer ongestoord kunnen voortbewegen. En waarin bovendien het ene deeltje veel moeizamer voortbeweegt (en zo ‘zwaarder’ lijkt; met meer massa) dan het andere.

Dát het langverwachte Higgsdeeltje ook echt gevonden wordt, is geen uitgemaakte zaak. „Kan u het zeggen?” pareert Nobelprijswinnaar en theoretisch fysicus Martin Veltman. „Ik heb in elk geval nog nooit meegemaakt dat een deeltjesversneller precies datgene opleverde waarvoor hij bedoeld was”, relativeert hij.

Sommige van zijn collega’s gaan nóg een stap verder. Zij zeggen dat de grootste en prettigste verrassing zou zijn wanneer er juist géén Higgs gevonden wordt – omdat dan de natuur anders in elkaar blijkt te zitten dan gedacht.

Cynisch

Mocht het Higgsdeeltje wél bestaan, wat de meeste deeltjesfysici toch hopen, dan zal het zich in elk geval niet snel laten vangen. Want ‘het cynische’ is, aldus NIKHEF-directeur Linde, dat de Higgs volgens de laatste inzichten zo licht is, dat hij bijna bij de oude LEP-versneller had kunnen opduiken. „Het Higgsdeeltje lag om de hoek.”

En dat betekent helaas ook dat het Higgs-signaal in de botsingen bij de LHC-versneller, maar amper boven een zee van allerlei andere deeltjessignalen uitsteekt. Om de Higgs daaruit te kunnen vissen moet de LHC-versneller, zegt Linde, straks zoveel mogelijk deeltjesbotsingen leveren.

Van echte deeltjesbotsingen is vandaag nog geen sprake. Want wat er niet in lichtletters bij wordt verteld: voorlopig draaien de protonen hun rondjes met de energie waarmee ze in de LHC-versneller worden geïnjecteerd – 450 Giga-elektronVolt (GeV), ofwel 900 GeV botsingsenergie. Zonder dat ze steeds verder opgejaagd worden naar een hogere energie. En die injectie-energie hadden de deeltjesexperts 20 jaar geleden ook al tot hun beschikking.

Het wordt dus pas echt spannend als de LHC-versneller, later dit jaar, naar een tienmaal hogere energie toegaat (5 TeV, ofwel 10 TeV botsingsenergie) en daarna, volgend jaar, naar een veertien maal zo hoge (7 TeV en dus 14 TeV botsingsenergie). Dan moet alle hightech in de tunnelring zich ook werkelijk bewijzen. De 1800 supergeleidende magneten bijvoorbeeld, met behuizing samen zo’n 33.000 ton, die de afgelopen maanden allemaal zijn afgekoeld tot 1,9 graad boven het absolute nulpunt. Daarvoor was 1.200 ton stikstof (64 grote vrachtwagens vol) en 4.700 ton vloeibaar helium nodig. Het resultaat is dat de ring kouder is dan het heelal: in de lege ruimte tussen de sterren en sterrenstelsels is het 0,8 graad warmer.

De magneten moeten de protonen op koers houden en voorkomen dat ze ‘uit de bocht vliegen’. Bij de LEP-versneller, die tot 1991 in dezelfde tunnel stond, was dat makkelijker omdat in die versneller elektronen draaiden. Dat zijn veel lichtere deeltjes die daardoor makkelijker bij te sturen zijn. Tegelijk is het essentieel dat door LHC goed gefocusseerde protonenbundels (treinen van pakketjes protonen) lopen. Dat levert de meeste botsingen op wanneer ze elkaar kruisen op de vier punten waar reusachtige detectoren klaarstaan om de botsingsproducten, waaronder dus misschien af en toe Higgs-deeltjes, te registreren.

Spannend

De deeltjesbundels mogen daarnaast onder geen beding tegen de wand van de vacuüm bundelpijp aanlopen. Want ofschoon de protonen zo klein zijn dat een mens zich er niets bij kan voorstellen, dragen ze bij elkaar genoeg energie om 500 kilo koper te smelten.

Spannend wordt verder hoe de magneten zich over een paar maanden gedragen bij de hoogste energie, en dus de sterkste magneetvelden (8,3 Tesla ofwel bijna 200.000 maal het aardmagnetisch veld en ruim vier keer meer dan de sterkste ‘warme’ magneten kunnen bereiken). Spanningen die dan in het materiaal optreden, zullen in het begin geregeld voor instabiliteiten zorgen – en daarmee voor uitval van magneten. Er is een heel aantal weken ingeruimd, zo vertelde CERN-directeur Jos Engelen tien dagen geleden in een afgeladen zaaltje op het NIKHEF, om die weg te werken door de magneten te ‘trainen’.

Maar al met al, besloot hij met de diplomatie van een directeur, „is een redelijke mate van optimisme over een nabije start van LHC en de LHC-experimenten gerechtvaardigd”. Nobelprijswinnaar Veltman vatte met de voor hem karakteristieke directheid daarna de sfeer samen die óók in het zaaltje hing: „maar jullie knijpen hem natuurlijk als een oude dief in de nacht.”

Vanmiddag weten we meer.