Naar de content

Wordt de volgende deeltjesversneller recht of krom?

Japan aast op lineaire versneller maar aarzelt nog over het budget

Har Gobind Singh Khalsa via CC BY-ND 2.0

In Japan moet een grote deeltjesversneller verrijzen, maar in tegenstelling tot de bekende cirkelvormige versnellers is hij kaarsrecht. De wetenschappers denken daarmee genoeg precisie te hebben om het Higgsdeeltje beter dan ooit te onderzoeken én nieuwe deeltjes te vinden.

30 april 2019

De aankondiging van de ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012.

 CERN

Om het allerkleinste te ontdekken bouwen wetenschappers ironisch genoeg de grootste machines op aarde. De elementaire bouwstenen van de wereld laten zich beter dan ooit bekijken in de Large Hadron Collider (LHC), een 27 kilometer lang cirkelvormig parcours onder de Zwitserse en Franse bergen. Hier botsen deeltjes zoals protonen met bijna de lichtsnelheid op elkaar. Uit de brokstukken van die botsingen reconstrueren natuurkundigen de deeltjes en hun interacties die ons universum bestieren.

Wereldwijd bekokstoven natuurkundigen op dit moment de wereld ná de LHC. Deze machine deed in 2012 waarvoor hij gebouwd was: het vinden van het Higgsdeeltje. Na de huidige upgrade van de deeltjesversneller kan de LHC waarschijnlijk nog een jaar of tien mee. Maar wat dan? Als natuurkundigen echt dieper willen doordringen in de geheimen van onze materie is er een nieuwe machine nodig.

Een van die machines is de International Linear Collider (ILC), een twintig tot dertig kilometer lange machine die het Higgsdeeltje waarschijnlijk verder uit elkaar kan peuteren. Na een upgrade kunnen ook nog de eigenschappen van het ultrazware topquark verkend worden. Of duiken er misschien wel nieuwe deeltjes op.

Maar het wil niet écht vlotten met deze kaarsrechte versneller. In 2013 verscheen er een honderden pagina’s dik rapport dat de machine tot in detail beschrijft. De techniek lijkt er klaar voor, zo laat de Duitse laserfaciliteit XFEL zien dat het benodigde versnellersysteem op basis van supergeleidende magneten werkt. De industrie staat bij wijze van spreken klaar om de bouwcontracten te tekenen. En toch: de Japanners die moeten beslissen of de machine er komt (en een flink deel van het budget op zich nemen) zijn er nog niet uit. Dat komt onder meer door het prijskaartje van vijf miljard, waar Japan naar verluidt de helft van betaalt.

Schema van de International Linear Collider die wellicht in Japan gebouwd wordt. Het bestaat uit twee verschillende versnellers die elektronen en positronen versnellen en op elkaar laten botsen. De lengte van de gehele installatie is zo’n twintig kilometer. De energie van de deeltjes botsingen is 0,5 teraelektronvolt (TeV), lager dan de 14 TeV van de LHC.

 ILC Comms via CC BY-SA 3.0

Smeerboel

Het grote verschil tussen de ILC en LHC is hoe ze te werk gaan. Bij het nieuwe type versneller botsen geen protonen of loodkernen op elkaar, maar elektronen en positronen (het positief geladen tweelingbroertje van het elektron). Deze deeltjes zijn in tegenstelling tot protonen of loodkernen, zover we weten, níet uit ander deeltjes opgebouwd. En dat heeft zo zijn voordelen.

Botsingen met niet-samengestelde deeltjes zijn ‘schoner’. Twee botsende protonen in de LHC vervallen doorgaans naar de verschillende quarks waar ze uit bestaan (drie per proton). Deze soep van uiteenspattende quarks drukt een flinke stempel op resultaten terwijl de natuurkundigen er eigenlijk niet in geïnteresseerd zijn. Ze filteren het quarkverval daarom uit de verzamelde data. Met botsingen tussen elektronen en positronen heeft de lineaire versneller deze ‘ruis’ niet. Het heeft wel last van andere achtergrondsignalen, maar die zijn kleiner.

Deeltjesbotsingen in verschillende deeltjesversnellers. In de Large Hadron Collider (boven) bosten twee protonen uit twee verschillende bundels. Deze protonen bestaan uit verschillende quarks. De International Linear Collider (onder) botst een elektron en positron die niet uit andere deeltjes bestaan. In dat laatste geval is doorgaans makkelijker om de brokstukken en hun originele deeltjes te traceren.

 Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Bovendien heeft de LHC een hoge zogenoemde luminositeit, die na de huidige verbouwing van de versneller nog hoger wordt. Dat betekent dat er veel deeltjes tegelijk door de machine racen en dat er veel botsingen tegelijk plaatsvinden. Onderzoekers kijken doorgaans daarom niet naar een enkele botsing, maar naar de brokstukken van tientallen gelijktijdige botsingen. Dat is fijn omdat je veel informatie wint, maar tegelijkertijd is het moeilijker om het verval van de deeltjes te reconstrueren. “In de LHC is het een beetje een smeerboel van deeltjesbotsingen en je moet hard werken om uit die data de interessante signalen over te houden”, zegt Peter Kluit, natuurkundige van onderzoeksinstituut Nikhef die bij de ontwikkeling van de plannen voor de ILC betrokken was.

De LHC bedient zich van brute kracht, terwijl de ILC een precisie-apparaat is. “Wetenschappers die het probeerden uit te leggen aan parlementsleden in Japan vertelden dat de lineaire versneller als het ware rijstkorreltjes op elkaar botst om te zien waar ze van gemaakt zijn, terwijl de LHC hele sushirollen tegen elkaar smijt”, aldus Kluit.

De gigantische Atlas-detector van de LHC die de ‘brokstukken’ van botsingen in de deeltjesversneller registreert.

 CERN

Uitsluiten

In zekere zin is de ILC een nettere machine, met minder botsingen. Kluit wijst op nog een voordeel, namelijk dat de energie van de versnelde elektronen en positronen precies bekend is. Het is daardoor makkelijker om de botsing te reconstrueren. ‘Mis’ je na een botsing een deel van de botsingsenergie, dan kan het zomaar zijn dat deze is gaan zitten in deeltjes die je niet hebt waargenomen.

Dat is een fundamenteel andere manier van zoeken naar nieuwe deeltjes dan in de LHC. De twee grootste detectoren (CMS en ATLAS) speuren naar nieuwe fysica door deeltjes te registeren, niet door te kijken waar er energie ‘ontbreekt’. De administratie is zo rommelig dat het na de botsing veel lastiger is om te achterhalen of er ergens in die tientallen botsingen misschien een beetje energie naar een nieuw en onbekend deeltje ging.

Het LHC-principe werkt prima als je het Higgsdeeltje wil ontdekken, dat dook – na jarenlang meten – immers op in de brokstukken van ontelbare botsingen. Maar dit meetprincipe laat je in de steek wanneer je een deeltje zoekt dat zich juist níet laat zien via de gebruikelijke interacties. Neem de lang gezochte donkere materiedeeltjes, als deze deeltjes alleen via de zwaartekracht interacties aangaan dan schieten ze altijd ongemerkt uit de detector. “Met de LHC zie je veel, maar aan de andere kant sluit je heel veel níet uit”, zegt Kluit. “Met de ILC kun je zoeken naar donkere materiedeeltjes in het energiegebied van pakweg 90 tot 150 GeV (een gigaelektronvolt, 0,001 teraelektronvolt – red.).”

Higgs onder de loep

Goed, dan heb je een precisiemachine, maar wat kun je er nog meer mee? Is er nog wat te vinden na de ontdekking van het Higgsdeeltje, dat lang gezochte elementaire deeltje dat zo’n centrale rol speelt door andere deeltjes hun massa te ‘geven’. We weten inmiddels de massa van het Higgsdeeltje, zo’n 125 GeV, we kennen het verval van Higgs naar verschillende andere elementaire deeltjes, maar waarschijnlijk kennen we niet álle interacties. Daar ligt mogelijk de poort naar nieuwe natuurkunde, en de ILC kan die misschien openen.

Naast het Higgsdeeltje richt de ILC zijn pijlen op het topquark, in vergelijking met de overigens vijf quarks een erg zwaar elementair deeltje. Zijn massa van 173 GeV is erg hoog en dat maakt hem lastig te produceren en te onderzoeken. Sommigen vermoeden dat het topquark nog uit meerdere andere deeltjes bestaat. De ILC kan in ieder geval de massa van het topquark met grote precisie bepalen.

Masterplan

Zijn al die miljarden gerechtvaardigd voor een machine, waarvan niet op voorhand vastligt dat hij nieuwe natuurkunde gaat vinden? Kluit geeft toe dat de situatie wat dat betreft voor ILC anders is dan bij de bouw van de LHC. “Bij de LHC heerste het idee dat we niet konden verliezen. Óf we zouden het Higgsdeeltje vinden of we zouden sporen van nieuwe fysica vinden. Dan hadden we een geheel nieuwe puzzel moeten leggen”, zegt hij. “Ik denk dat de ILC richting kan aangeven en voorspellingen voor nieuwe natuurkunde kan doen.”

Maar wat gebeurt er nu Japan zich na al die jaren nog steeds niet heeft durven binden aan de bouw van de ILC? Natuurlijk heerst er teleurstelling onder natuurkundigen die afgelopen maart op een Japans groen licht hadden gehoopt. Dat zei ook Geoffrey Taylor, voorzitter van de International Committee for Future Accelerators, die probeert de bouw van toekomstige deeltjesversnellers te stimuleren en in goede banen te leiden.

Het is volgens Kluit wachten tot alle neuzen in Japan dezelfde kan opstaan, en daarover is hij hoopvol. “In de Japanse politiek lijkt er draagvlak te zijn, benodigde detectortechnologie is al ontwikkeld aan de universiteiten. Ik heb de indruk dat de regio’s onderling in Japan nog moeten uitmaken hoe de baten en lasten verdeeld moeten worden”, zegt hij.

De Japanners zeggen nu binnen een jaar met een masterplan te komen, en dan een definitieve beslissing te nemen. Dat is een optimistisch scenario, denkt Kluit. Maar hij denkt ook dat ze er uiteindelijk wel uit gaan komen. Mocht die beslissing inderdaad binnen een jaar genomen worden dan kan de bouw waarschijnlijk in 2024 beginnen. Als de lineaire versneller eind jaren twintig draait, dan is hij precies op tijd klaar om het stokje over te nemen van zijn ronde broer in Europa.

Toch weer rond?

Onderzoekers van deeltjeslaboratorium CERN kijken ook naar de mogelijkheid om een nieuwe ronde deeltjesversneller te bouwen. Begin dit jaar werd een rapport gepubliceerd over de Future Circular Collider, met een omtrekt van honderd kilometer. Hierin worden protonen op elkaar gebotst, maar eventueel ook elektronen en positronen. De energieën van de deeltjesbotsingen liggen tientallen keren boven die van de LHC. De kosten van het project zijn naar schatting twintig miljard dollar.

ReactiesReageer