Diep onder de grond in het Zwitserse Genève zoeken wetenschappers van het Europees Laboratorium voor Elementaire Deeltjesfysica naar de oorsprong van alles wat bestaat. Met een nieuwe, superkrachtige deeltjesversneller willen ze de missende hoeksteen in het standaardmodel van de natuurkunde vinden: het Higgs-boson. Maar ze zijn niet de enigen.
Verandering van spijs doet eten, zeggen ze in de Kempen. Maar niet iedereen in het Zwitserse Genève was het daar vorig jaar mee eens. De wetenschappers van het Europees Laboratorium voor Elementaire Deeltjesfysica – beter bekend onder zijn oude acroniem CERN – stonden voor een verscheurende keuze. Moesten ze de activiteiten van de in 1989 opgestarte Large Electron-Positron Collider (LEP) stoppen? Of zouden ze nog een jaartje doorgaan met experimenten, waardoor de bouw van een nieuwe, veel krachtiger deeltjesversneller, de Large Hadron Collider (LHC), vertraging zou oplopen?
De competitie is enorm in de sector van de elementaire deeltjesfysica, ondanks het feit dat de Amerikanen besloten om hun Superconducting Supercollider (SSC), de grootste deeltjesversneller ooit, niet te bouwen wegens veel te duur. Het budget van het CERN bedroeg in 2000 25 miljard Belgische frank. De LHC zal zes jaarbudgetten kosten. De versnellers zitten honderd meter diep onder de grond in een tunnel van 27 kilometer die over Frans en Zwitsers gebied loopt. De krachten die in de tunnel worden gegenereerd, zijn enorm. De meest elementaire deeltjes van de materie laten zich niet gemakkelijk vangen.
Deze zomer begon in de Amerikaanse staat New York de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) zijn eerste deeltjes op te sporen. Negen jaar duurde het om de versneller te bouwen. Hij versnelt kernen van goud tot snelheden die die van het licht benaderen. Als twee kernen aan zo’n snelheid tegen elkaar botsen, ontstaat er een minivuurbal met temperaturen die tienduizend keer heter zijn dan het binnenste van de zon. Dit moet de omstandigheden nabootsen die een fractie van een seconde na de Grote Oerknal ( Big Bang) het heelal overheersten. De ‘ruimte’ was toen gevuld met een soep van quarks en gluonen – de eerste zijn de bouwstenen van atoomkernen, de tweede leveren de sterke kracht om die bouwstenen in een kern samen te houden. Pas als het heelal na de knal begon uit te dijen en af te koelen, konden gluonen quarks samentrekken tot de protonen en neutronen die atoomkernen vormen.
OP HET SPOOR VAN HET HIGGS
De RHIC werd specifiek gebouwd om de eigenschappen van dit zo elementaire quark-gluonplasma te onderzoeken. Maar vorig jaar doken de eerste aanwijzingen op voor het bestaan van dit plasma in de versnellers van het CERN. De wetenschappers daar gebruikten looddeeltjes om de omstandigheden van enkele microseconden na de Grote Oerknal na te bootsen. Het was de eerste keer dat ze zo ver terug in de tijd geraakten. Nooit eerder waren omstandigheden met vrij rondzwervende quarks gecreëerd.
De energie die het Zwitserse experiment – de Super Proton Synchroton (SPS) – kon leveren, was echter te klein om de quarks rechtstreeks waar te nemen. Het bestaan van het plasma kon alleen indirect worden afgeleid. Het Europese laboratorium zal nu echter (knarsetandend) de Amerikanen vrije baan moeten laten. Pas in 2005 zal het zich opnieuw in de race om het plasma kunnen mengen, als ALICE klaar zal zijn: A Large Ion Collider Experiment dat dertig keer meer energie zal leveren dan de Amerikaanse installatie.
Nog frustrerender voor de Europese onderzoekers was de vaststelling dat ze heel dicht bij de ontdekking van het Higgs-boson zaten. Het Higgs-deeltje is iets magisch in de fysica. Het bestaat voorlopig alleen in theorie, als het deeltje dat alle andere deeltjes hun massa geeft. ‘Zonder Higgs straalden wij allemaal als miezerig kleine deeltjes tegen 300.000 kilometer per seconde door de ruimte’, vertelt de Belgische fysicus Jos Vlogaert die in het CERN werkt. ‘Higgs-deeltjes gaan als het ware aan andere deeltjes hangen om ze trager te maken, zodat ze een massa krijgen en met elkaar kunnen interageren. De ontdekking van het Higgs zal inzicht opleveren in het ontstaan en de aard van massa.’
In september jongstleden besloten de onderzoekers van het CERN om de LEP-versneller, die op zijn laatste benen liep, op te drijven tot energiewaarden hoger dan deze waarvoor hij was ontworpen. Meteen registreerden ze vijf ‘gebeurtenissen’ die ‘consistent waren met een Higgs-boson dat een massa van 115 giga-elektronvolt droeg’. De CERN-gemeenschap raakte verdeeld in twee ongeveer even grote groepen: een groep die vond dat er moest worden doorgegaan tot het bewijs definitief was, en een groep die van mening was dat de aanwijzingen te vaag waren en dat uitstel tot veel te hoge kosten zou leiden, omdat de bouw van de LHC vertraging zou oplopen.
De gemoederen raakten verhit, zeker omdat bleek dat het uiteindelijk vooral een centenkwestie betrof: er waren al zoveel contracten met aannemers afgesloten om de LHC te bouwen, dat uitstel miljarden zou kosten. ‘Als de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA extra geld nodig heeft, lanceert ze een publiciteitscampagne, zoals de aankondiging dat er tekenen van leven op Mars gevonden zijn’, zuchtte een tegenstander van sluiting op het CERN. ‘Dat achteraf blijkt dat dit op zijn minst voorbarig was, is minder relevant. Als de centen ondertussen maar binnen zijn.’
CERN BELACHELIJK GEMAAKT
De LHC zal zo krachtig zijn dat het Higgs-boson er, in de woorden van Vlogaert, ‘binnen de maand na opstarten in zal opduiken’. Het Higgs, dat al dertig jaar in de hoofden van natuurkundigen zweeft, zal superzwaar zijn, maar is heel moeilijk waar te nemen omdat het uitsluitend ‘virtueel’ bestaat. Het baat de inherente onzekerheid van de quantummechanica uit, zodat het slechts zo kort bestaat dat het niet waargenomen kan worden. Alleen als de energie van een botsing in een versneller hoog genoeg is, zal het eventjes zichtbaar zijn.
Het probleem voor het CERN is echter dat een andere Amerikaanse versneller ook op jacht is naar het Higgs: het Fermilab in Chicago zal in de lente zijn Tevatron-versneller na een grondige revisie (die vier jaar duurde) weer in gebruik nemen. Tevatron is een versneller met een reputatie. In de zomer doken voor het eerst vier tau-neutrino’s in zijn scatterdiagrammen op. Dat was meteen het laatste van de twaalf elementaire deeltjes uit het standaardmodel van de natuurkunde ( zie kader) dat nog waargenomen moest worden. Niemand twijfelde eraan dat het bestond, maar het is toch altijd een opluchting dat de theorie door de feiten wordt bevestigd.
Hoewel hij niet ontworpen was om naar het Higgs-boson te zoeken, ligt het deeltje zeker binnen het bereik van de Tevatron. ‘Fermilab zal alle middelen inzetten om de vraag naar de massa van het Higgs op te lossen’, stelde een bittere Patrick Janot, een fysicus die werkte met LEP, in het wetenschappelijke topvakblad Nature. ‘CERN zal zich belachelijk maken omdat het deze gelegenheid liet liggen.’ Maar het mocht niet baten. Eind november werd definitief besloten om de bladzijde LEP om te slaan en een nieuw hoofdstuk te beginnen. De Large Hadron Collider moet in 2005 operationeel zijn.
De ontdekking van het Higgs-deeltje zou het standaardmodel van de natuurkunde compleet maken. Higgs is de belangrijkste missende hoeksteen van dit patroon dat orde verschaft in de ogenschijnlijke soep van deeltjes. Alle elementaire deeltjes bewegen zich in theorie voort met de snelheid van het licht. Om materie te kunnen vormen, moeten ze ‘gestopt’ of op zijn minst vertraagd worden. Het Higgs-mechanisme werd vooropgesteld om te voorkomen dat het standaardmodel met allerhande kunstgrepen moest worden bijgewerkt. Alle deeltjes bewegen zich voort in een ‘stroperig’ Higgs-veld, dat ze vertraagt en met een massa opzadelt. Higgs is zo fundamenteel dat het absoluut gevonden moet worden om het standaardmodel te laten sluiten.
RUZIE OM RUIMTE
De infrastructuurwerken die momenteel in het CERN bezig zijn, laten niet vermoeden dat hier gezocht wordt naar de kleinste en meest ongrijpbare fundamenten van de materie. Het CERN is een echte stad, met banken, restaurants, slaapverblijven en straten genoemd naar grote natuurkundigen. Er verblijven permanent bijna tienduizend mensen, en er woedt een voortdurende strijd om accommodatie. De wetenschappers zitten opeengepropt in kleine kantoren en kleine flats. Ook voor experimentele ruimte wordt gevochten. Over elke centimeter van de reusachtige nieuwe meetinstrumenten van de LHC wordt geruzied. De belangen zijn groot.
Diep onder de grond graven bouwvakkers de kraters uit waarin de gigantische experimentele ruimten zullen zakken om op de versnellersring te worden aangesloten. De LHC zal dezelfde ring van 27 kilometer gebruiken als de LEP – daarom moest de LEP afgesloten worden, want het ogenblik dat de LHC de gang binnen moet dringen, is ophanden. Een goed getrainde wandelaar doet er vijf uur over om de eindeloos lange bocht van de ring te nemen, maar de elementaire deeltjes scheuren per seconde elfduizend keer rond. De bouwvakkers liggen er niet wakker van. Sinte-Barbara – de patrones van de mijnwerkers – en Heineken houden hen in de diepe schachten overeind.
De enorme kosten zijn meer dan verantwoord, vinden de wetenschappers van het CERN. ‘Wij bieden vanuit de natuurkunde antwoorden op de allergrootste levensvragen’, zegt ingenieur Vlogaert. ‘Wij leggen de essentie bloot, niet alleen van het leven, maar van alles wat er bestaat. Daarenboven is er heel wat spin-off van onze kennis voor dagelijks gebruik in de maatschappij. Meer dan zestig procent van het huidige bruto nationaal product in de Verenigde Staten vloeit voort uit de ontwikkeling van de quantummechanica in de jaren twintig en dertig. De enorme concentratie van kennis in CERN zorgt voor nieuwe innovaties.’
Vlogaert speelt een cruciale rol in de ontwikkeling van de LHC. ‘Zonder Jos zullen we er niet komen’, stelt de Brit Lynn Evans, de directeur van de LHC. ‘Hij werkt ook veel te hard.’ Maar de druk op Vlogaert is groot. Hij is verantwoordelijk voor de ontwikkeling en bouw van de (ongeveer) 1250 supergeleidende magneten die de deeltjes in hun baan moeten houden. Hun kostprijs wordt geraamd op 20 miljard frank. De uitdagingen zijn enorm. De magneten – elk bijna vijftig meter lang – moeten een stuk zwaarder zijn dan die van de LEP. Ze moeten allemaal een kromming van 9 millimeter hebben om in de baan van de versnellersring te passen. En ze moeten in een speciale ‘kamer’ terechtkomen, omdat ze zullen functioneren bij een temperatuur van 300 graden onder nul – de LHC zal de grootste cryogene installatie ter wereld worden.
‘De ontwikkeling van de magneten is kritisch, omdat de natuur op verschillende vlakken tegenwerkt’, zegt Vlogaert. ‘Om te beginnen rust er een enorme druk op de magneten: per meter ongeveer 400 ton. Als het magneetveld niet stabiel is, zullen de deeltjes gewoon tegen de wanden aanknallen. Daarenboven is supergeleiding – het verdwijnen van elektrische weerstand bij lage temperaturen – een metastabiel verschijnsel: de geleiding wil altijd terug normaal worden. Daarom mogen bijvoorbeeld de magneetdraden niet bewegen. We moeten ze in 100 milliseconden uitrekken, waarvan een derde nodig is om eventuele fouten te detecteren. U begrijpt dat dit niet evident is.’
MEER TRANSISTOREN DAN STERREN
Vlogaert hamert erop dat de ontwikkeling van deze prototypes nieuwe praktische toepassingen oplevert, als neveneffect van het streven naar een oplossing voor fundamentele vraagstukken. Zijn mensen werkten speciale lastechnieken uit en ontwikkelden materialen die zowel extreme koude als een thermische shock aankunnen. Maar wat als dit allemaal vruchteloos is? Als bijvoorbeeld het Higgs niet bestaat? ‘Het Higgs bestaat en zal gevonden worden’, stelt Vlogaert met klem. ‘De LHC zal uiteraard ook naar andere dingen zoeken, zoals de deeltjes die er niet meer zijn omdat het na de Grote Oerknal te koud geworden is en er te weinig energie overbleef om ze te laten voortbestaan. De LHC zal dichter bij de oorsprong van het leven komen dan eender welk experiment ooit.’
Vier experimentele detectoren zullen er op de LHC-ring komen. ALICE, om onder meer het plasma van vlak na de Grote Oerknal te onderzoeken. De LHCb waarmee antimaterie zal worden onderzocht, en meer bepaald de vraag waarom er nu geen antimaterie meer is, hoewel er na de Grote Oerknal evenveel materie als antimaterie werd gevormd. De belangrijkste, en ingewikkeldste, detectoren zullen de CMS (van Compact Muon Solenoid) en ATLAS zijn. De doelstelling van CMS is eenvoudig: zoveel mogelijk ‘nieuwe natuurkunde’ ontdekken, in welke vorm deze zich ook manifesteert.
Het paradepaardje op de LHC-ring zal ATLAS zijn. Een meetinstrument van vijf verdiepingen hoog dat in staat moet zijn om met een precisie van een honderdste van een millimeter de weg te meten die deeltjes hebben afgelegd. De sensoren in het hart van ATLAS zullen tien miljard transistoren bevatten – ongeveer evenveel als er sterren in de melkweg hangen. ATLAS zal zoeken naar het Higgs en een aannemelijke verklaring voor het bestaan van massa, zoals een antwoord op de vraag waarom fotonen (lichtdeeltjes) niet met het Higgs-veld interageren, zodat ze massaloos zijn, terwijl de Z°- en W-bosonen die radioactiviteit overdragen bijna even zwaar zijn als een zilveratoom.
ATLAS zal eveneens speuren naar supersymmetrische deeltjes – de eerste ontdekking zou het supersymmetriemodel ineens van een theorie tot een concreet gegeven katapulteren. Er heerst ook grote onduidelijkheid over de vraag waarom er in het standaardmodel drie generaties van deeltjes voorkomen met groeiende massa, waarvan alleen de lichtste stabiel is. Waarom niet vier, of slechts één? Sommige waarnemers gaan ervan uit dat de natuurkunde nog niet doorgedrongen is tot de fundamenten van de materie. Dat quarks en leptonen niet de meest elementaire deeltjes zijn die er bestaan, maar zelf samengesteld zijn uit nog kleinere componenten.
Zo blijven de natuurkundigen natuurlijk bezig. Stel u voor dat het leven eindeloos ingewikkeld is. Zullen we nooit weten waar we vandaan komen.
alle illustraties: CERN Photo/GF
Dirk Draulans
