Nee, de wereld verdwijnt niet in een zwart gat als de experimenten beginnen. En ja, hopelijk blijft de deeltjesversneller dit keer wél intact. Met bewonderenswaardig geduld herhalen de onderzoekers van CERN hun antwoorden op de meest gestelde vragen van de afgelopen maanden. De twee kwesties brachten de deeltjesversneller het afgelopen jaar uitvoerig in het nieuws: een rechtszaak vanwege ‘gevaarlijke’ zwarte gaten en lekkend helium door een fatale lasfout tussen de magneten. Vervelend. Duizenden wetenschappers vanuit alle windstreken werkten acht jaar lang aan de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, het ding kostte zes miljard euro. Dan hoop je toch dat ‘ie het doet.

Maar als de deeltjesversneller inderdaad goed werkt, komen er antwoorden op vragen die vele keren opwindender zijn dan een lekke buis. Vragen over antimaterie, extra dimensies, de oorsprong van het bestaan. Waarom vliegt er zo weinig antimaterie door het universum, terwijl er bij de Big Bang net zoveel deeltjes als antideeltjes ontstonden? Waarom bestaat het overgrote deel van de materie niet uit de elementaire deeltjes die wij kennen? En dan de vraag der vragen: bestaat het Higgs-deeltje (zie kader rechts) nu wel of niet?

Roger Ruber. Foto: Enith Vlooswijk

Roger Ruber, alumnus Technische Natuurkunde van de TU/e (1985-1991), interesseert zich al sinds zijn tienertijd voor dergelijke vragen. Sinds 1995 is hij betrokken bij onderzoek in CERN.

“Al voordat ik naar de universiteit ging, was ik geïnteresseerd in hoe de dingen werken, hoe de basis van alle krachten in elkaar zit”, vertelt hij. “In de jaren tachtig, toen ik naar de middelbare school ging, waren veel dingen nog niet ontdekt, bijvoorbeeld de topquark. Het hele standaard model van de natuurkunde is in die jaren ingevuld. Alleen het Higgs-deeltje is nog niet aangetoond.”

Door in te zoomen op het niveau van een proton, hopen natuurkundigen meer te weten te komen over dit Higgs-deeltje en andere natuurkundige verschijnselen. Dat ‘inzoomen’ doen ze door de deeltjes met grote kracht tegen elkaar te laten botsen. Daarbij komen allerlei nieuwe deeltjes vrij die iets kunnen zeggen over de aard van de materie zelf.

Het laten botsen van protonen is niet nieuw. De energie waarmee dit in CERN zal gebeuren, is wel uitzonderlijk: 7 TeV (tera-elektronvolt) per protonenbundel. Dat is ruim drie keer krachtiger dan tot nu toe mogelijk was. Twee bundels protonen van tegengestelde richting vliegen met bijna de snelheid van het licht door de 27 kilometer lange LHC. Op vier punten kruisen de bundels en botsen de protonen tegen elkaar. De richting, breedte en kracht van de bundels worden geregeld door ongeveer negenduizend supergeleidende magneten. ‘Supergeleidend’ wil zeggen dat een elektrische stroom zonder weerstand door het materiaal blijft gaan. Voor niobiumtitaan, het materiaal waarvan de spoelen van de magneten zijn gemaakt, vereist dit een temperatuur van ten hoogste 9,2 kelvin (-263,95 graden Celsius). Honderdvijftig ton vloeibaar helium houdt de magneten op hun werktemperatuur van 1,8 kelvin.

Inmiddels vliegen de eerste protonenbundels al door de versneller met een energie van 0,45 TeV. De eerste botsingen met lage energie hebben al plaatsgevonden en na de kerst wordt 3,5 TeV gehaald.

Om de omvang en de complexiteit van het project te bevatten, moet je de technologische hoogstandjes eigenlijk zelf hebben gezien. Niet dat de Cursor-verslaggeefster er echt over kan meepraten: de LHC en de vier deeltjesdetectors zelf bevinden zich ongeveer honderd meter onder het maaiveld en geen journalist die er nu nog mag rondneuzen. Dat is omwille van de veiligheid: de bewegingsenergie van een bundel protonen is vergelijkbaar met een voorbij razende TGV. Als die onverwacht uit zijn baan raakt, zijn de gevolgen niet mis.

Gelukkig is een rondleiding bovengronds ook de moeite waard. Daar werkt Ruber bijvoorbeeld aan de mogelijke opvolger van de LHC, de Compact Linear Collider (zie foto en kader onder). Het is een lineaire versneller, waarin elektronen botsen met hun antideeltjes, positronen. De resultaten van de experimenten in de LHC kunnen met de lineaire versneller meer in detail worden bestudeerd.

“Een protonenbotsing veroorzaakt een grote wolk van deeltjes”, zegt Ruber. “De botsing van elektronen en positronen is veel ‘schoner’: de elektronen en hun antideeltjes slokken elkaar als het ware op en een beperkt aantal nieuwe deeltjes komt vrij. Daardoor zijn de botsingen eenvoudiger te bestuderen en geschikt voor een meer gedetailleerde studie naar wat er in de LHC gebeurt.”

Rubers werkruimte is gelegen in één van de vele grijze, wat onooglijke gebouwen op de campus. Wie flitsende, sciencefiction-achtige taferelen verwacht aan te treffen bij CERN, komt dus nogal bedrogen uit. Uiterlijk vertoon lijkt de CERN-bewoners niet echt eigen.

“Dat is, denk ik, typisch voor de deeltjesfysica”, zegt Ruber. “Ik ben een tijd in Japan geweest. Daar zag je dat ook, net als in Zweden en in Amerika. We geven al ons geld het liefst uit aan onderzoek, niet aan een mooi gebouw. In het bedrijfsleven is men misschien meer geïnteresseerd in mooie kantoren en een vet salaris dan in de inhoud. Wij, natuurkundigen, zijn vooral gedreven door ons vak en dus zetten we alle middelen daarvoor in.”

CERN is eigenlijk een faciliterend instituut waar universiteiten en andere onderzoeksinstanties hun experimenten kunnen uitvoeren. Ongeveer tienduizend onderzoekers voeren hun experimenten uit in CERN, van wie maar een kwart in vaste dienst is van het deeltjesinstituut. Het overgrote deel wordt betaald door andere organisaties en werkt een beperkt aantal jaren op projectbasis op de campus. “De sfeer in CERN is, wetenschappelijk gezien, heel stimulerend, omdat deze erg internationaal is”, zegt Ruber. “Er komen mensen uit de hele wereld die de besten zijn in hun vakgebied. Dat maakt het voor mij ook heel prettig om er te werken.”

Het internationaal georiënteerde restaurant op de campus draagt hier ook aan bij. Menig besluit wordt genomen bij een kopje koffie of een pizza margarita. Het is open van ‘s morgens vroeg tot ‘s avonds laat, net als de rest van CERN. “De campus gaat nooit dicht, de experimenten draaien dag en nacht door”, zegt Ruber. “Alleen vanaf midden december tot half februari is er een onderhoudsperiode. Dan is de elektriciteit namelijk duurder.”

De versneller verbruikt jaarlijks zo’n honderdtwintig megawatt aan energie. Vooral het vloeibaar maken (afkoelen) van het helium kost veel stroom. Stoppen in de winterperiode scheelt ongeveer veertien miljoen euro. Dit jaar wordt een uitzondering gemaakt vanwege de politieke druk om resultaten. Ook Ruber kijkt uit naar de eerste botsingen. “We hebben jaren gewerkt om dit mogelijk te maken. Ik ben ervan overtuigd dat het deze keer gaat lukken. Zelfs als het Higgs-deeltje niet wordt gevonden, dan is dat een heel interessant resultaat. Dan moet de standaard theorie op de schop. Er moet gekeken worden naar alternatieve theorieën. Dat zou voor mij absoluut geen teleurstelling zijn, maar een heel boeiende gebeurtenis.”/.

Zie ook press.web.cern.ch/press/lhc-first-physics en twitter.com/cern.

Fietsen langs de LHC. Foto: CERN

Iedereen zoekt het Higgs-deeltje

De heilige graal van de deeltjesfysica, daar heeft het Higgs-deeltje iets van weg. Het elementaire deeltje is vernoemd naar de man die het bestaan ervan in de jaren zestig van de vorige eeuw al voorspelde, Peter Higgs. Sindsdien doen onderzoekers wereldwijd hun uiterste best het deeltje met experimenten aan te tonen. Tot nu toe zonder succes.

Het onderzoek is essentieel: het standaardmodel van de deeltjesfysica, een theorie die de krachten en deeltjes beschrijft die alle materie vormen, staat of valt met het bestaan van dit deeltje. Higgs-bosonen zouden alle andere deeltjes hun massa geven.

Er bestaat goede hoop dat er Higgs-deeltjes zullen voortkomen uit de LHC-experimenten. De aanwezigheid van Higgs-deeltjes na een botsing blijkt uit het aantal keren dat er vier muonen vrijkomen. Een muon is een onstabiel subatomair deeltje, waarvan er zelden vier tegelijk ontstaan. Dit gebeurt in enkele zeldzame situaties, waarvan het ontstaan van Higgs-bosonen er één is. Wijkt het aantal keren dat er vier muonen vrijkomen af van de voorspellingen, dan gaat de theorie onderuit.

Opvolger LHC is kort, krachtig en onderhoudsvriendelijk


Schematische voorstelling van het ‘twee-bundelsysteem’.

Aan de mogelijke opvolger van de LHC wordt nu al druk gesleuteld. De CLIC (Compact Linear Collider, zie foto rechts) is een lineaire versneller die elektronen en hun antideeltjes (positronen) tegen elkaar laat botsen. Met deze versneller kunnen de belangrijkste resultaten van de LHC meer in detail worden bestudeerd.

Lineaire en cirkelvormige versnellers zijn gestoeld op hetzelfde principe: geladen deeltjes die door een vacuüm holte (caviteit) gaan, versnellen wanneer er een elektrisch veld in die holte wordt gezet. In een cirkelvormige versneller verliezen elektronen echter veel energie in de vorm van elektromagnetische straling. De CLIC is daarom lineair: een recht gevaarte van vijftig kilometer lang. Omdat de deeltjes elke caviteit maar één keer passeren, is hun eindenergie afhankelijk van het aantal caviteiten en van het elektrisch veld op elke caviteit. De CLIC bevat 72.000 koperen caviteiten. Tegen de tijd dat de bundels botsen, hebben ze elk een energie van 1,5 TeV bereikt.

Het elektrisch veld voor een versneller wordt normaal gesproken opgewekt door klystronen. Een klystron is een vacuüm buis waar elektronen door stromen. De stroom is opgedeeld in pakketjes en straalt een elektromagnetisch veld uit. Een golfgeleider leidt dat veld naar de versnellercaviteit. Daar wordt de elektromagnetische golf gebruikt om de deeltjes in de versneller extra vaart te geven.

De inzet van afzonderlijke klystronen voor alle caviteiten in de CLIC zou erg duur zijn. De benodigde apparatuur zou zes tot negen vierkante meter in beslag nemen en de elektronica zou veel onderhoud vergen. De CLIC werkt daarom met een uniek systeem, het ‘two-beam system’ (zie illustratie). Parallel aan elke versnelde bundel elektronen of positronen stroomt een tweede bundel elektronen door een vergelijkbare, vacuüm gemaakte pijp. Deze ene pijp doet hetzelfde als vele afzonderlijke klystronen zouden doen. De elektronen in deze ‘drive beam’ versnellen niet, maar worden juist afgeremd. De energie die zo vrijkomt, wordt gebruikt om de hoofdbundel extra vaart te geven.

Het afstemmen van de frequenties en de energieën van de twee bundels is een huzarenwerkje. Alle onderdelen -de caviteiten, de golfgeleiders- moeten op tien micrometer nauwkeurig worden gevormd. Wanneer dat eenmaal is gebeurd, kan er weinig meer kapot aan het apparaat. Eind volgend jaar moet het werkingsprincipe van de CLIC zijn aangetoond. Als wordt besloten om het ding te bouwen, neemt dit nog zo’n zeven jaar in beslag.

Opstelling CLIC. Foto: Claudia Marcelloni

CERN-data wereldwijd opgeslagen

Controlekamer bij injectie van eerste protonen. Foto: CERN

Wanneer de eerste protonenbundels botsen, zit de centrale controlekamer in CERN vol wetenschappers die gespannen naar tientallen computerschermen turen. Vanuit een belendende ruimte, door grote ramen, zullen tientallen journalisten opgewonden toekijken. Op dat moment staan waarschijnlijk weinig mensen stil bij de enorme hoeveelheid data die per seconde verwerkt worden, voordat de resultaten op die schermen verschijnen.

In de vier detectoren van de LHC vinden veertig miljoen botsingen per seconde plaats. De meeste botsingen zijn niet hard genoeg en leveren weinig interessants op. Slechts de meetresultaten van zo’n tweehonderd botsingen worden weggeschreven op de harde schijf. Dat zorgt nog altijd voor zo’n tien tot vijftien petabytes aan data per jaar, net zoveel als op drie miljoen dvd’s past. Voor de analyse van deze data zijn zeker honderdduizend pc-processoren nodig. De data worden daarom verspreid over tien centra wereldwijd. Deze centra vormen samen een ‘grid’: de opvolger van het wereldwijde web. Deelnemers aan het grid hebben toegang tot de hardware van alle aangesloten computers. Op die manier kunnen duizenden mensen deelnemen aan hetzelfde experiment en kunnen data overal worden opgeslagen.