Waarom de deeltjesversneller weer back in business is

Wie vindt het nou niet leuk om dingen op elkaar te laten botsen? En hoe leuk is het als dat met bijna de lichtsnelheid kan? Een grote groep deeltjesfysici van over de hele wereld mogen dit doen in the name of science. Zij werken met de LHC (Large Hadron Collider, oftewel ‘grote hadronenbotser’) in Genève. Deze deeltjesversneller kwam in 2012 prominent in het nieuws, omdat hij toen het Higgsdeeltje ontdekte. De vondst van dit deeltje maakte het standaardmodel* van elementaire deeltjes compleet. Momenteel staat de versneller al twee jaar uit voor onderhoud, maar dit jaar gaat hij weer aan! Hoe kon het Higgsdeeltje dankzij de versneller gevonden worden? Welke nieuwe ontdekkingen kunnen er nog gedaan worden? En WRM is het zo belangrijk dat de LHC herstart wordt?

De grote hadronenbotser
Wat is die LHC precies? Zoals de naam al zegt, laat men in dit apparaat hadronen (subatomaire oftewel HELE kleine deeltjes) op elkaar botsen. In Genève gebruiken ze de hadronensoort protonen, de kernen van waterstofatomen. Voordat deze op elkaar botsen, worden ze versneld tot ze bijna de lichtsnelheid bereiken (volgens Einstein de hoogst haalbare snelheid). Dit versnellen gebeurt in een cirkelvormige buis van 27 kilometer lang, die zich op ruim 100 meter onder de grond bevindt. De kosten voor de bouw van deze krachtigste deeltjesversneller ooit bedroegen zes miljard euro. Maar goed, dan heb je ook wat.

Wat gebeurt er precies in dit dure speeltje? Twee bundels protonen worden in aparte pijpen in tegengestelde richting versneld. De snelheid van de bundels wordt opgejaagd met behulp van supersterke magneten (leuk weetje: om deze magneten goed te laten werken, moeten ze gekoeld worden tot ‑271,3 °C, wat kouder is dan het heelal!). En net als de protonen denken dat ze lekker op gang gekomen zijn, worden de bundels samengebracht. Wat volgt is een botsing die de wetenschap een stap dichterbij het antwoord op allerlei vragen kan brengen.

E= mc²
Dankzij hun enorm hoge snelheid hebben de protonen veel energie, die vrijkomt bij de botsing. Denk aan een auto die tegen een muur aanrijdt: met een lage snelheid zal er weinig gebeuren en blijven de auto en de muur heel. Bij een hoge snelheid zullen de auto en de muur echter ernstige schade oplopen. De energie uit de snelheid zorgt voor die schade.

Dit gebeurt ook bij de protonen. Bij de botsing spatten de deeltjes in kleine stukjes uit elkaar. Bovendien kunnen er door de enorme hoeveelheid energie nieuwe deeltjes ontstaan. Dit klinkt magisch, maar dat het mogelijk is, beschreef Einstein in het begin van de 20^e eeuw al. In zijn beroemde formule E= mc² staat namelijk dat energie (E) gelijk is aan massa (m), vermenigvuldigd met een constante (c²). De energie die voortkomt uit de botsing kan dus nieuwe deeltjes met massa creëren.

Spannende nieuwe deeltjes
De nieuwe deeltjes die bij deze botsingen ontstaan, zijn precies waar natuurkundigen zo in geïnteresseerd zijn. Deeltjesfysici (zoals Peter Higgs) zijn jarenlang bezig geweest om op papier uit te rekenen welke deeltjes er moeten bestaan om de natuur die wij om ons heen zien te kunnen verklaren. Nu bleken die deeltjes echter superklein te zijn, dus door met een vergrootglas door een grasveld te lopen ga je ze niet vinden. Je moet ze zelf maken en er met ontzettend goede meetapparatuur bovenop zitten.

Bij de LHC hebben ze op vier punten meetplekken, die elk hun eigen specialisaties hebben: ATLAS, CMS, ALICE en LHCb. Hier wordt met de meest geavanceerde technieken gemeten welke deeltjes er ontstaan zijn na de botsing en hoe snel ze gingen. De ontdekking van het Higgsdeeltje werd gedaan met CMS en ATLAS. De laatstgenoemde werd overigens gedeeltelijk ontworpen en gebouwd in Amsterdam (bij Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica) en is ongeveer zo groot als het Paleis op de Dam.

WRM moet de LHC weer aan?
Met de ontdekking van het Higgsdeeltje is de puzzel van het standaardmodel opgelost. Hoeven we dan niet verder te zoeken? Weten we nu alles over de bouwstenen van ons bestaan? Helaas (of gelukkig voor deeltjesfysici die hun baan niet kwijt willen) zijn we er nog niet. Er zijn nog veel onbeantwoorde vragen waar de LHC een antwoord op kan geven. Bovendien kunnen ontdekkingen in de LHC nieuwe vragen oproepen, want wellicht is ons mooie standaardmodel helemaal niet hoe de natuur het bedacht had.

Helaas kan ik niet te diep ingaan op alle spannende theorieën die er bestaan over ons universum en die de LHC kan bewijzen (of juist volledig de grond in kan boren). Daarvoor heb ik niet genoeg kennis en is bovendien één blog te weinig. Toch zal ik proberen een tipje van de mysterieuze sluier op te lichten.

Donkere materie, SUSY en vrienden
Eén van de vragen waar nog geen antwoord op is, komt uit de astronomie. Astronomen hebben ontdekt dat alle materie (alles wat massa heeft) om ons heen slechts voor twintig procent bestaat uit deeltjes die we kennen. Zeker 80 procent bestaat dus uit iets wat massa heeft, maar wat we niet kunnen zien of meten. Dit noemen astronomen ‘donkere materie’ (klinkt lekker spannend en staat dus vaak in kranten en blogs). Er zijn verschillende theorieën over wat deze mysterieuze stof zou kunnen zijn, maar voor geen van deze theorieën is nog bewijs gevonden.

Een theorie die uitblinkt in elegantie is supersymmetrie (liefkozend: SUSY). Hierin wordt voorgesteld dat alle deeltjes die wij kennen een broertje (of zusje) hebben die ontzettend op zo’n deeltje lijkt, maar veel zwaarder is. Sommige van deze broerdeeltjes hebben precies de eigenschappen die wetenschappers willen voor het bewijzen van donkere materie. Bovendien blijkt SUSY ook andere onopgeloste vragen te kunnen beantwoorden (gebruik Google als je meer wilt weten). Het klinkt dus allemaal mooi, maar zoals Peter Higgs kan beamen: zonder experimenteel bewijs geen Nobelprijs. Vele natuurkundigen hopen daarom dat de LHC de SUSY-deeltjes de komende jaren zal ontdekken.

De herstart van 2015!
Eigenlijk had de LHC sinds maart alweer op volle toeren protonen in de rondte moeten zwiepen. Helaas was er een kortsluiting in de bedrading van de magneten, waardoor de herstart werd uitgesteld. Gezien de enorme energieën en magnetische krachten die voorkomen in de versneller, wordt er geen enkel risico genomen. Veiligheid boven alles!

Inmiddels is de kortsluiting verholpen en sinds eerste paasdag suizen er weer protonen rond in de deeltjesversneller. De komende tijd zullen er alleen protonenbundels in twee aparte buizen versneld worden, om te kijken of alles naar behoren werkt. Pas in juni zal men de bundels ook weer laten botsen.

De botsingen die in juni in de LHC plaats zullen gaan vinden, gebeuren bij een snelheid (en dus een hoeveelheid energie) van de protonen die hoger is dan ooit. Er kunnen dan nog meer en nog zwaardere deeltjes ontdekt worden. Wellicht vinden de onderzoekers zelfs dingen die we nooit voor mogelijk gehouden hadden. Houd de LHC dus in de gaten!

Voetnoot:
*Het standaardmodel beschrijft de (elementaire) deeltjes waaruit alles is opgebouwd en de krachten die op/tussen hen werken.