De Large Hadron Collider in het Zwitserse Genève moet het onderzoek van de elementairste deeltjes in de kosmos een nieuwe dimensie geven. ‘We worstelen nog altijd met het probleem dat we 96 procent van de materie in het heelal niet kunnen vinden.’

Als alles goed gaat, wordt deze week in het hoofdkwartier van het Europees Centrum voor Nucleair Onderzoek (CERN) in het Zwitserse Genève het startschot gegeven voor de langverwachte nieuwste deeltjesversneller van CERN, de grootste ooit gebouwd: de Large Hadron Collider (LHC). Een cirkelvormige tunnel diep onder de grond met een lengte van 27 kilometer waarin binnenkort bundels protonen tegen elkaar aangeknald zullen worden om omstandigheden van hoge energie te creëren. In de restanten van de botsingen zullen wetenschappers speuren naar sporen van de elementairste deeltjes waaruit alles wat wij kennen bestaat.

De bedoeling is onder meer de grootste deeltjes ooit te creëren. Als die deeltjes tenminste bestaan. De bedoeling is ook voor het eerst concrete aanwijzingen te vinden voor het bestaan van het Higgs-boson: een deeltje dat essentieel is in het standaardmodel voor de elementaire deeltjesfysica zoals het nu bestaat. Als het Higgs niet gevonden wordt, is de kans groot dat er iets fundamenteel fout is met het standaardmodel, en moet de fysica grondig herdacht worden. Dan is er de voorbije decennia veel tijd verloren, hoewel er af en toe wel interessante nieuwigheden zijn opgespoord.

‘Het ergste wat ons zou kunnen overkomen, is dat we het Higgs-boson vinden, maar niets anders’, zegt Walter Van Doninck van de Vrije Universiteit Brussel, die al jaren fulltime aan de bouw van de LHC meewerkt. ‘Dan zouden we alleen de bevestiging vinden van wat we al weten, maar niets nieuws leren. Als we geen Higgs vinden, moeten we aan andere modellen gaan denken, zoals modellen met meer dimensies dan die waar we nu mee werken, of aan héél andere opties, zoals de stelling dat het elektron misschien geen elementair deeltje is, zoals nu wordt aangenomen, maar zelf uit aparte onderdelen bestaat. Het interessantste zou natuurlijk zijn dat we in eerste instantie het Higgs vinden, maar daarnaast nog andere, voorlopig onbekende elementaire deeltjes. Want we worstelen nog altijd met het probleem dat we 96 procent van de materie in het heelal niet kunnen vinden. Met de hogere massa’s waarmee we nu in de LHC gaan werken, komen nieuwe deeltjes in het vizier, zoals in het kader van de supersymmetrie, waarin elk deeltje nog een onbekende tegenhanger heeft. In sommige modellen duiken trouwens niet minder dan vijf verschillende Higgs-deeltjes op.’

Van Doninck neemt zijn bezoekers mee de dieperik in, 100 meter onder de grond, de eerste plaats waar de samenstelling van de bodem stabiel genoeg was om de deeltjesversneller en de experimenten waarin de waarnemingen gedaan zullen worden, te kunnen bouwen zonder het risico te lopen dat ze door aardverschuivingen of andere geologische processen verstoord zouden worden. ‘Binnenkort, als de LHC gelanceerd wordt, zal het hier de koudste plaats in de kosmos zijn’, legt hij uit. ‘1,8 graad Kelvin, dat is 271,2 graden onder nul. De interstellaire ruimte heeft een iets hogere temperatuur van 2,7 °Kelvin. De uiterst lage temperatuur is nodig om de 32.000 ton supergeleidende magneten die de protonenbundels in hun baan moeten houden, optimaal te laten functioneren. We hopen in die omstandigheden geleidelijk alle deeltjes te kunnen creëren die ooit in het heelal bestaan hebben.’

6 MILJARD EURO

Het is bijna onvoorstelbaar dat de immense bouwwerken gewoon een wetenschappelijk experiment zijn. Er zijn genoeg draden van het amalgaam niobium-titanium in de installaties verwerkt om vijf keer de afstand tussen de aarde en de zon te overbruggen. Er is vijftien jaar gewerkt aan het plannen van de machine, en nog eens vijftien jaar aan het ontwerpen en het bouwen ervan, om de energie te kunnen ontwikkelen die nodig is om de omstandigheden na te bootsen van vlak na de Grote Oerknal waarmee alles begon – althans in de huidige visie over het ontstaan van de kosmos. Rond CERN is een hele gemeenschap van wetenschappers en technici ontstaan, meer dan tienduizend mensen met een eigen campus, een eigen theater, een eigen muziekfestival, eigen sportploegen, eigen discussiegroepen (‘conCERNed’).

De kostprijs van het geheel is enorm: ongeveer 6 miljard euro. Van Doninck vindt dat bedrag niet overdreven: ‘Het zal ons een uniek venster op de kosmos geven.’ De Belgische bijdrage aan het project is geconcentreerd rond een van de vier experimenten die op de versneller gebouwd worden: de Compact Muon Solenoid (CMS). ‘Ons experiment kost ongeveer 300 miljoen euro, evenveel als een legertje van twintig F-16’s’, zegt Van Doninck. ‘Maar die botsen slechts één keer, terwijl wij 40 miljoen botsingen per seconde kunnen creëren om zicht te krijgen op wat er allemaal in de ruimte gebeurd is.’

Aan de CMS werken tweeduizend wetenschappers, onder wie vijftig Belgen. Het is essentieel zo weinig mogelijk fouten in de constructie te maken. Want als er iets misloopt, zal het minstens zes weken duren voor er verder gewerkt kan worden. Het duurt al drie weken voor de temperatuur voldoende is afgekoeld om het geheel in gang te zetten.

Alle medewerkers lopen er momenteel een beetje gespannen bij. Iedereen beschouwt zijn onderdeel van het project als zijn kind, en daar mag niets mis mee lopen. Niemand wil verantwoordelijk zijn voor een vertraging, laat staan een mislukking. De CMS zal cruciaal zijn in het speuren naar het Higgs-boson, omdat bijvoorbeeld de muonen die hij moet detecteren een bijproduct zullen zijn van eender welke reactie waarin het boson betrokken is. Muonen zijn zwaardere neefjes van de elektronen.

‘Veel zal afhangen van de algoritmen waarmee we uit de massa gegevens de bruikbare informatie willen halen’, zegt Van Doninck. ‘We schatten dat we tien tot de macht dertien botsingen nodig zullen hebben om iets als het Higgs te ontdekken. Alle gegevens worden gestockeerd, maar om het overzichtelijk te houden zullen er honderd botsingen per seconde voor analyse geselecteerd worden, want het is natuurlijk onmogelijk alles te bekijken. Het intelligente karakter van het experiment zit net in die selectieprocedure: hoe haal je de relevantste resultaten uit de massa informatie?’

De essentie van de werking van de LHC schuilt in de klassieke formule waarmee Albert Einstein massa en energie aan elkaar koppelde: E=mc2. Hoe hoger de energie, hoe hoger de massa van de geproduceerde deeltjes. Het Higgs-boson is een elementair deeltje waarvan het bestaan in 1964 voorspeld werd door onder meer twee Belgische wetenschappers (zie kader). Het verklaart waarom een aantal deeltjes een massa heeft. Higgs-deeltjes zouden over de ruimte verspreid liggen in Higgs-velden die sommige deeltjes die erdoorheen moeten ‘vertragen’, waardoor ze een hoeveelheid massa meekrijgen.

De ontdekking van het Higgs zou een stevige steun in de rug zijn van het gangbare standaardmodel voor de fysica, waarin drie van de vier elementaire krachten met elkaar verzoend worden (de elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke kernkrachten), en waarin de bekende deeltjes in een logisch geheel gerangschikt worden. ‘Maar we mogen gerust zijn’, zegt Van Doninck. ‘De LHC zal ons in ieder geval laten zien wat er in de natuur aanwezig is, zelfs als dat geen Higgs is. Ik pin me zelf niet zo sterk op dat Higgs vast, omdat ik ervan uitga dat alles wat we zullen zien relevant zal zijn voor het begrijpen van hoe onze kosmos functioneert.’

Vele wetenschappers hopen waarschijnlijk stilletjes op ontdekkingen die het concept van de supersymmetrie met concrete waarnemingen zullen onderbouwen. In dat model hebben alle bekende deeltjes een zwaardere tegenhanger. Supersymmetrie zou ook toelaten twee categorieën van bekende deeltjes op een logische manier met elkaar te verzoenen: de bosonen, waartoe het Higgs behoort, die de boodschappers zijn voor de fundamentele krachten in de natuur, en de fermionen die reageren op die krachten, zoals het elektron en de quarks waaruit onder meer de protonen bestaan.

Verder wordt er druk gespeculeerd over onbekende deeltjes, zoals het volgens sommige modellen lichtste supersymmetrische deeltje denkbaar: het neutralino, dat een kandidaat zou zijn voor de geheimzinnige donkere materie waaruit het grootste deel van het heelal bestaat, maar die nog nooit is waargenomen. Voor veel wetenschappers zou dat de echte beloning zijn voor het intense werk, en niet de bevestiging van het bestaan van het Higgs. Want het zou de natuurkunde een nieuw elan geven. Er zijn de laatste decennia niet veel nieuwe concrete inzichten vergaard, omdat het zo lang geduurd heeft om een nieuwe deeltjesversneller te bouwen. En het wordt op den duur vervelend om altijd met theoretische modellen te moeten werken.

De LHC lokt niet alleen lovende en constructieve reacties uit. Elke dag worden de servers van CERN gebombardeerd met mails waarin de wetenschappers als satanisten omschreven worden, die de wereld om zeep zullen helpen. Volgens de doemdenkers zullen in de versneller zwarte gaten gecreëerd worden die de aarde meteen zullen opzwelgen en vernietigen. Een recent rapport van CERN heeft getracht de gemoederen te sussen, maar zonder veel gevolg. Het rapport besluit dat er misschien mini zwarte gaatjes in de machine gevormd zullen worden, misschien zelfs eentje per seconde, maar die zullen onmiddellijk weer verdwijnen. Ze zullen dus niet gevaarlijk zijn.

Ook Van Doninck maakt zich geen zorgen. En sommige wetenschappers denken al aan de toekomst. De ene deeltjesversneller is nog niet in gang gezet, of de plannen voor de volgende liggen al op tafel. ‘Er bestaan designrapporten voor wat we de International Linear Collider (ILC) noemen’, zegt Van Doninck. ‘Een lineaire versneller van vijftig kilometer lang, dus geen cirkel meer. Een echte startbaan voor elektronen, die weer een nieuwe wereld bloot moet leggen. Maar voorlopig zijn er alleen de rapporten. Er is nog geen euro vrijgemaakt om ook maar de eerste stap naar een concrete realisatie te zetten. We zullen ons nog een tijd met de LHC zoet moeten houden. Dat zal geen probleem zijn.’

DOOR DIRK DRAULANS