LHC klaargestoomd voor nog meer 'exotische fysica'

De 27 kilometer lange deeltjesversneller waarmee in 2012 het Brout-Englert-Higgsboson werd gevonden, en die Brusselaar François Englert incontournable maakte voor de Nobelprijs Fysica dit jaar, ligt sinds februari 2013 stil voor onderhoud. Dat betekent niet dat het ook echt stil is aan het CERN. Terwijl fysici de gigantische hoeveelheid data verder analyseren, werken ingenieurs achter de schermen aan een upgrade die de deeltjesversneller beter, sterker en sneller moet maken. Als de versneller in 2015 weer op gang wordt getrokken, hoopt het CERN donkere materie, supersymmetrie en antimaterie uit te klaren – exotische fysica, net zoals het Higgsboson dat een eeuw geleden was.

Protonentrein

In de ringvormige tunnel 150 meter onder de Frans-Zwitserse grens nabij Genève bewegen twee protonenbundels in tegenovergestelde richting aan een snelheid net onder die van het licht. De energie in de bundel is vergelijkbaar met een hogesnelheidstrein die aan 150 kilometer per uur over de sporen raast.

Die 'protonentrein' zou in normale omstandigheden altijd rechtdoor gaan, maar wordt in de LHC door 1.624 supergeleidende elektromagneten uit niobium-titanium in een cirkelvormige baan gedwongen. Na ongeveer honderd omwentelingen bereiken de deeltjes de gewenste energie, waarna ze klaar zijn om te botsen. Dat gebeurt op vier punten in de versneller, ongeveer elke 25 nanoseconden.

Uit elk van die botsingen worden deeltjes gevormd. Dat kunnen bekende deeltjes zijn, maar ook nieuwe exotische exemplaren – zoals het Brout-Englert-Higgsboson dat in juli 2012 werd ontdekt – en die ons kunnen helpen bij het begrijpen van het universum.

Extreme omstandigheden

Om supergeleidend te zijn, worden de elektromagneten met behulp van in totaal 96 ton vloeibaar helium gekoeld tot -271 graden Celsius, bijna de koudste temperatuur in het universum. Tegelijk ontstaat tijdens elke protonenbotsing voor een fractie van een seconde een extreme hitte. Vanzelfsprekend krijgen het materiaal en de elektronica onder die extreme omstandigheden heel wat te verduren. De technici geven de deeltjesversneller daarom een geplande onderhoudsbeurt.

Duizenden onderdelen worden getest en indien nodig vervangen. Er worden krachtigere elektromagneten geïnstalleerd, waardoor deeltjes in de toekomst sneller en met een hogere energie met elkaar kunnen botsen. Voor de onderhoudsbeurt had elke protonenbundel een energie van 4 TeV (teraelektronvolt), goed voor en botsingsenergie van 8 TeV. Na de upgrade, wordt dat 13 TeV. Dankzij die veel hogere energie hopen de fysici nieuwe fysica te ontdekken, misschien zelfs donkere materie te maken, maar wat het precies zal zijn, weten zij net zo min als u en ik.

Dat doel is eigenlijk nog steeds hetzelfde als bij de opening van de tunnel vijf jaar geleden. Oorspronkelijk werd de versneller gebouwd om die 14 TeV botsingsenergie te realiseren, maar na een incident in 2008 waarbij zes ton vloeibaar helium in de tunnels ontplofte, ging de versneller een lange tijd weer dicht om vervolgens op halve kracht het Higgsboson te ontdekken. Wanneer de versneller in 2015 weer wordt aangezet, moet die presteren op het niveau dat eigenlijk al in 2008 was voorzien.

En nu?

Wat valt er nog te ontdekken nu het BEH-boson al gevonden is? Walter Van Doninck, vice-voorzitter van de CERN-raad: 'Die ontdekking wordt terecht een van de grootste in de wetenschapsgeschiedenis genoemd, het sluitstuk voor het Standaardmodel. Maar dat Standaardmodel verklaart amper vier procent van de materie in het universum. De rest noemen we donkere materie, we weten dat het er is, onder andere omdat het een zichtbare invloed heeft op andere deeltjes, maar we hebben het nog nooit waargenomen. Dat realiseren is een van de grote opdrachten die we met de verbeterde versneller hopen te realiseren.’ Maar het is evengoed mogelijk dat ook de huidige upgrade niet zal volstaan om die donkere materie te vinden. Daarom denken ingenieurs nu al na over een nog krachtigere opvolger van de LHC. ‘Dat kan een cirkelvormige versneller met een veel grotere omtrek zijn, mogelijk zelfs tachtig kilometer, maar ook een lineaire versneller, omdat deeltjes nu in de bochten van de LHC energie verliezen.'

Belgische bijdragen

België investeert 25 miljoen euro per jaar in het CERN. Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO) subsidieert individuele fysici en hun projecten. Omgekeerd keert geld en kennis van het CERN terug naar België. Zo zit er dertig miljoen euro Luiks staal in de versneller. Onder de 3.000 onderzoekers die voor het CMS-experiment werken, zijn ook een tachtigtal Belgen. Zij staan niet alleen in voor de verwerking van gegevens, maar leveren ook technische bijdragen aan de versneller. 'De sporenkamer in het hart van het CMS-experiment die instaat voor de precieze 3D-lokalisatie van deeltjes, werd in Vlaanderen ontwikkeld, net zoals onderdelen voor de caloriemeter waarmee de energie van deeltjes wordt bepaald', zegt Pierre Van Mechelen (UA), die al jaren bij het CMS-experiment is betrokken. 'Vlaamse onderzoekers dragen ook bij aan de uitbouw van de krachtige computerinfrastructuur die nodig is om de gigantische hoeveelheid aan gegevens te analyseren.'

Deeltjesversneller in Mol

CERN en het studiecentrum voor Kernenergie (SCK-CEN) gaan samen een nieuwe lineaire deeltjesversneller met een hoge intensiteit bouwen in Mol. De onderzoeksinstellingen ondertekenden daarvoor op 28 oktober een samenwerkingsakkoord in Genève. De ontwikkeling gebeurt in Genève, maar de versneller zal uiteindelijk ingezet worden in Mol voor het MYRRHA-project, een onderzoeksreactor die een bijdrage moet leveren in het oplossen van het kernafvalvraagstuk.

In MYRRHA willen fysici technieken ontwikkelen om hoogradioactief kernafval versneld te verwerken of te recyclen, of om het beschikbare uranium efficiënter te gebruiken zodat er minder afval ontstaat. De reactor aangedreven door de lineaire deeltjesversneller zal ook ingezet worden bij experimenten in biologie en medische toepassingen, zoals de productie van radio-isotopen die kankers opsporen en bestrijden. De opstart van MYRRHA is gepland voor 2025.