In de buurt van Genève werken wetenschappers van de CERN aan een upgrade van de grootste deeltjesversneller ter wereld. Tegelijk smeden ze plannen voor nog grotere versnellers. Die moeten peilen naar de deeltjes die de voorlopig onzichtbare donkere materie in het heelal vormen.
Een mens kan nietig lijken tegenover de machines die hij creëert. Je ziet technicus Patrick Sennesael van de UGent amper staan terwijl hij een nieuw meetinstrument plaatst in het hart van de Compact Muon Solenoid (CMS), een gigantische detector voor elementaire deeltjes die 100 meter onder de grond zit in de buurt van Genève. Drieduizend mensen zijn fulltime bezig met het operationeel houden van de CMS en het analyseren van wat hij aan data produceert.
De CMS is een van de vier deeltjesdetectoren in de 27 kilometer lange cirkelvormige tunnel van de Large Hadron Collider (LHC): de grootste deeltjesversneller ter wereld en het pronkstuk van de Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (beter bekend onder zijn acroniem CERN). In de CERN wordt gezocht naar de allerkleinste deeltjes waaruit de materie en dus ook het leven bestaan. Daarvoor heb je reusachtige apparaten nodig.
Omdat de LHC in revisie is, kan hij worden bezocht. Als hij operationeel is, wordt de tunnel hermetisch afgesloten om de experimenten niet te verstoren én omdat er bij de versnellingen veel straling vrijkomt. Het apparaat dat Sennesael aan het plaatsen is, werd in Gent gemaakt in het Laboratorium voor Experimentele Deeltjesfysica van hoogleraar Dirk Ryckbosch. ‘Die dingen worden computergestuurd ontworpen, maar bij de plaatsing blijkt toch vaak dat het niet helemaal past’, zegt Ryckbosch, die dat de normaalste zaak van de wereld vindt. ‘Daarom is het goed dat onze technici helpen bij het plaatsen. Zodra de versnellers en de tunnel gesloten worden, kunnen we er niet meer bij voor correcties. Alles moet goed zitten vanaf het begin.’
Het is alsof je een naald afschiet in Amerika en een andere in Europa om ze midden in de oceaan op elkaar te laten vliegen.
In de LHC zitten vele duizenden magneten die de deeltjes in goede banen moeten houden. De machine kostte ongeveer 4,5 miljard euro, de experimenten die er tot dusver mee werden uitgevoerd 1,5 miljard. Bij de opstart van het toestel in 2008 liep het bijna meteen mis: een fout in een lasnaad tussen twee magneten veroorzaakte een kortsluiting, waardoor de lancering meer dan een jaar vertraging opliep. Het opstarten van zo’n versneller duurt sowieso al vier tot zes maanden.
Duizelingwekkend
Wat de LHC doet, is duizelingwekkend. Supergeleidende magneten versnellen twee bundels met elk zo’n 1000 miljard protonen (dat zijn basisonderdelen van atoomkernen) die met bijna de snelheid van het licht door de tunnel razen – ze draaien meer dan 11.000 rondjes van 27 kilometer per seconde. In de detectoren leveren ze 40 miljoen botsingen per seconde. Om die te realiseren, is een enorme precisie nodig. ‘Het is alsof je een naald afschiet in Amerika en een andere in Europa met de bedoeling dat ze midden in de oceaan op elkaar vliegen’, vertelt Ryckbosch. ‘De informatie die uit de botsingen komt, wordt in de detectoren geregistreerd en geanalyseerd. Het is zaak om de relevante informatie uit de onoverzichtelijk grote massa gegevens te puren. Je wilt geen nog niet ontdekte fysica verloren laten gaan. Het werken aan gesofisticeerde software voor data-analyse is een belangrijke taak voor veel wetenschappers in de CERN.’
In 2012 leverde de LHC zijn grootste ontdekking. Hij bewees het bestaan van higgsbosonen: theoretisch voorspelde elementaire deeltjes die andere deeltjes hun massa geven. De ontdekking leverde de Belgische fysicus François Englert (ULB) in 2013 een Nobelprijs voor de Natuurkunde op, omdat hij in 1964 met een collega het theoretische raamwerk had geleverd voor het bestaan van het deeltje. Theorie en praktijk zijn in de wetenschap verschillende dingen. Je kunt bedenken wat je wilt, als je het bestaan van je al dan niet wiskundige hersenspinsels niet kunt aantonen kom je er nergens mee. Zonder de LHC was er geen Nobelprijs geweest voor Englert.
Na 2012 kwam er niet veel nieuws meer uit de LHC. Critici mopperen dat het een duur experiment was om het bestaan van één – weliswaar belangrijk – elementair deeltje aan te tonen. Natuurkundigen koesterden grote hoop dat de LHC ook aanwijzingen zou leveren voor het bestaan van supersymmetrie. Dat zou een compleet nieuwe discipline in de fysica openen en de structuur van het standaardmodel in de deeltjesfysica verfijnen. Er zijn nu twaalf elementaire deeltjes beschreven in het standaardmodel, die waarschijnlijk zelf niet in nog kleinere deeltjes kunnen worden onderverdeeld. Het gaat om zes quarks, die onder meer de protonen en neutronen uit de atoomkern vormen, en zes leptonen, zoals het elektron dat rond een atoomkern draait en het muon waar de CMS vooral voor gebouwd is. De deeltjes worden bij elkaar gehouden door vier verschillende krachten.
Maar er zitten veel haken en ogen aan het standaardmodel. Zo is wat nu bekend is van toepassing op slechts 5 procent van de materie in het heelal. De rest is onzichtbaar en bestaat uit zogenaamde donkere materie en donkere energie. Natuurkundigen menen dat de introductie van het concept supersymmetrie – waarbij alle elementaire deeltjes een supersymmetrische tegenhanger krijgen – de problematiek van onder meer de donkere materie kan oplossen. De hoop was groot dat de LHC ook een bewijs voor het bestaan van supersymmetrie zou leveren, maar dat is (nog) niet gebeurd.
Liedjes van Queen
Voor sommige natuurkundigen is supersymmetrie ‘klinisch dood’, maar de Belgische burgerlijk ingenieur Filip Moortgat, een van de amper dertig wetenschappers in vaste dienst van de CERN, gelooft dat niet. Hij geeft de moed niet op: ‘Als het higgsboson zwaarder was dan wat we gemeten hebben, zou supersymmetrie morsdood geweest zijn, maar er staat nog altijd een venster met mogelijkheden open. Sommige theoretici lijken de hoop inderdaad op te geven, maar dat is meer gebaseerd op emotie dan op wetenschappelijke evidentie. Je moet je cool kunnen bewaren en wat afstandelijker naar de dingen kijken. Het is wel een feit dat de natuur moet meewerken om ons inzicht te laten vergaren in haar functioneren. Jammer genoeg is ze niet altijd vriendelijk voor ons.’
Moortgat werkt vooral in de controlekamer van de CMS – zeg maar de vluchtleiding van de detector. Voor foutmeldingen gebruiken ze liedjes van de Britse rockgroep Queen – aan het liedje kunnen ze horen wat er misloopt. De gitarist van Queen, Brian May, is een fysicus die van heel ver bij het werk in de CERN betrokken is. ‘Je moet ermee kunnen leven dat je jarenlang niets vindt’, zegt Moortgat. ‘Maar je moet blijven zoeken. Als je het even niet ziet zitten, kijk je een tijdje naar de hemel en word je blij omdat er toch al zoveel kennis vergaard is. Of je bedenkt tot welke geweldige prestaties de mens in staat is als hij echt gaat voor een project, zoals de CERN of het reizen naar de maan. Voor mij is het duidelijk dat de klimaatproblematiek opgelost kan worden, op voorwaarde dat voldoende mensen er hun schouders onder zetten. De mensheid is als collectief tot fantastische dingen in staat.’
Gebrek aan inspiratie of fantasie kan fysici niet verweten worden. Er zijn al een vijftigtal theoretische elementaire deeltjes bedacht die, als ze gevonden worden, het standaardmodel zouden verfijnen. Iedereen heeft zijn favorieten. Voor Moortgat zijn dat het supersymmetrische topquark (het topquark is een van de zes quarks) en het supersymmetrische neutralino waar al vlijtig naar gezocht wordt. Het zou de tegenhanger uit de donkere materie zijn van de neutrino’s die we al wel vinden en die massaal uit de ruimte komen: elk ogenblik schieten er miljarden neutrino’s door ons lichaam zonder dat we er erg in hebben en zonder dat het een effect heeft – daarom worden ze wel eens ‘spookdeeltjes’ genoemd.
‘Ik blijf fan van supersymmetrie, omdat het nog altijd de meest elegante manier is om problemen met het standaardmodel op te lossen’, zegt Moortgat. ‘Het concept biedt daarenboven een opening om de zwaartekracht in het standaardmodel in te bouwen, wat momenteel nog niet mogelijk is. Tot nader order blijft de eenvoud van de oplossing mij aanspreken. Maar het is natuurlijk niet omdat wij het wiskundig kunnen bedenken dat de natuur het ook zo gedaan heeft. We mogen nooit de fout maken de inventiviteit van de natuur te onderschatten.’
13.000 wetenschappers
Ook Dirk Ryckbosch heeft zijn favoriete theoretisch deeltje: het axion. ‘Het is mijn favoriet, omdat het meerdere verschijnselen zou kunnen verklaren’, legt hij uit. ‘Het axion zou de symmetrie van de sterke kernkracht – een van de vier elementaire krachten – kunnen garanderen én het is een kandidaat voor de donkere materie. Het is een van de weinige hypothetische deeltjes met meer dan één functie. Aangezien de natuur altijd economisch is in wat ze doet, meen ik dat zo’n dubbele functie een extra gewicht aan deze kandidaat geeft. In de CERN wordt trouwens een axiontelescoop gebouwd op basis van een supergeleidende magneet. Daarmee gaat men naar de zon kijken, want we vermoeden dat die aan de lopende band axionen produceert, weliswaar in vrij kleine hoeveelheden, want anders zou ze niet kunnen schijnen.’
Ryckbosch vertegenwoordigt ons land in de Raad van de CERN: het hoogste bestuursorgaan van wat waarschijnlijk de grootste wetenschappelijke onderzoeksinstelling ter wereld is. Zo’n 13.000 wetenschappers zijn betrokken bij de CERN. Een meerderheid van hen komt uit de 23 lidstaten die deel uitmaken van het concern, dat vlak na de Tweede Wereldoorlog in de steigers werd gezet om de braindrain naar de Verenigde Staten te keren. ‘Bij de CERN werken Israëliërs en Palestijnen probleemloos samen, net als Iraniërs en Amerikanen’, zegt Ryckbosch.
De CERN denkt ver vooruit. Binnenkort moeten er beslissingen genomen worden over de volgende generatie deeltjesversnellers, die tot in 2090 operationeel zou zijn. Sleutelwerk aan de LHC moet de capaciteit van de machine vertienvoudigen tot 400 miljoen botsingen per seconde. Dat zou per uur één nuttige meting kunnen opleveren. Ook de software heeft dus een upgrade nodig om wetenschappers niet te laten verdrinken in de massa gegevens over verschijnselen die ze al kennen. Deze High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) zou vanaf 2026 operationeel moeten zijn.
De bedoeling is onder meer dat hij grote hoeveelheden higgsbosonen produceert, zodat die beter bestudeerd kunnen worden. ‘Misschien zijn er meerdere types higgsbosonen,’ zegt Ryckbosch, ‘want het higgsdeeltje dat we gevonden hebben is lichter dan verwacht. Het is evident dat er daarnaast nog veel zaken onderzocht kunnen worden. Misschien is er een zevende of zelfs een achtste quarktype. We zijn ook geïnteresseerd in de vraag of we minizwarte gaten kunnen produceren in onze versnellers. Het is niet uitgesloten dat die zich gedragen als elementaire deeltjes en zelfs een link met de zwaartekracht kunnen vormen bij de energiewaarden waar we nu mee werken. Er zijn veel mogelijkheden.’
Een tunnel van 100 kilometer
De meest fundamentele beslissing die binnenkort genomen moet worden, is wat er na de HL-LHC komt. Dan gaat het niet langer om een upgrade, maar om iets nieuws. Er liggen twee opties open: de Compact Linear Collider (CLIC) die zal steunen op een kaarsrechte tunnel van 50 kilometer, en de Future Circular Collider (FCC) die vergelijkbaar zou zijn met de LHC, maar dan met een tunnel met een omtrek van liefst 100 kilometer. Een machine in vergelijking waarmee alles wat de mens tot dusver gemaakt heeft nietig zal lijken. Hoe hoger de energie die je in zo’n machine kunt pompen, hoe kleiner de golflengten waarmee gewerkt wordt en hoe groter de kans op het ontdekken van piepkleine deeltjes.
‘Er zijn voor- en nadelen aan beide concepten’, legt Ryckbosch uit. ‘De CLIC is iets nieuws met zijn lange rechte lijn. Het is een nieuwe technologie, en het is altijd een uitdaging om te kijken wat dat oplevert. Je zou kunnen zeggen dat de FCC meer is van wat we nu doen met de LHC, maar dan op een gigantische schaal. Daarmee kunnen we wel veel verder in de kleinheid reiken dan ooit mogelijk is geweest. In het begin gaan de CLIC en de FCC vergelijkbare zaken doen, maar de waaier van wat de FCC op langere termijn kan, is veel breder. Het belangrijkste verschil tussen beide concepten is de kostprijs. De CLIC zou in eerste instantie ongeveer 6 miljard euro kosten, de FCC bijna het dubbele daarvan: 10 miljard, waarvan 6 miljard voor de bouw van de tunnel. Een som van 6 miljard kan de CERN nog aan, maar voor 10 miljard moeten we externe financiering zoeken. Die optie maakt sommige mensen zenuwachtig.’
VUB-hoogleraar Jorgen D’Hondt is voorzitter van het European Committee for Future Accelerators, dat wereldwijd contacten moet leggen om afspraken rond de bouw van deeltjesversnellers te coördineren. Want er zijn nog geïnteresseerden om in versnellers te investeren en gezien de grootschaligheid van de onderneming is het beter niet alle eieren in dezelfde mand te leggen. Bizar is dat de VS in dit verhaal slechts een kleine rol spelen – in de CERN zelf zijn zo’n tweeduizend Amerikanen actief. In 1993 bliezen de Amerikaanse autoriteiten plannen af voor een peperdure Superconducting Super Collider (SSC). Sindsdien zijn ze hun leidende rol in de deeltjesfysica kwijt.
Elders is het een ander verhaal. ‘Japan heeft plannen voor een International Linear Collider (ILC), een rechte versneller van 30 kilometer’, legt D’Hondt uit. ‘Maar het blijft onduidelijk hoe concreet die plannen zijn – de Japanners stellen hun beslissing voortdurend uit. Als ze hun ILC effectief zouden bouwen, kiezen wij misschien beter voor de FCC. China heeft interesse laten blijken in een eigen variant met een enorme circulaire tunnel, maar vooralsnog hebben de Chinezen onvoldoende kennis in huis om dat op eigen kracht te kunnen bolwerken. Ook daarvan weten we niet hoe de situatie zal evolueren. Maar we kunnen niet blijven wachten tot we weten wat beide Aziatische landen zullen beslissen. Op een gegeven ogenblik zullen we knopen moeten doorhakken. Dat zou uiterlijk binnen een jaar of twee moeten gebeuren.’
Binnen Europa is de discussie over de keuze vooral een centenkwestie. Duitsland is voorlopig de grootste dwarsligger voor de dure FCC, omdat het als grootste lid van de CERN het grootste bedrag moet neertellen, zo’n 20 procent van alle kosten. Frankrijk ziet het dan weer groter, zoals we van president Emmanuel Macron gewend zijn. Waarnemers hopen dat een Frans consortium de kosten voor de bouw van de 100 kilometer lange tunnel voor zijn rekening zal nemen. Ze lonken ook naar privé-investeerders als globaal ondernemer Elon Musk, die een boorbedrijf heeft om in de VS lange tunnels voor futuristisch treinverkeer te maken.
De kogel is nog niet door de kerk, maar de voorkeur van de meeste wetenschappers in de CERN lijkt toch te gaan naar de FCC met zijn 100 kilometer lange tunnel. Ze zijn daar nu eenmaal gewend om de dingen groot te zien. De FCC zou tegen 2040 operationeel moeten zijn en tot 2090 gegevens spuien. De meeste wetenschappers die nu aan het concept werken, zullen niet meer weten of hun geesteskind opvallende wetenschap zal opleveren. Maar dat lijken ze niet erg te vinden. Met de nieuwe machines stomen ze de volgende generaties wetenschappers klaar.
