Botsingsenergieën tot 13 TeV geven de fysici in Genève uitzicht op de detectie van een hele rist nieuwe deeltjes. Mogelijk licht hun vondst een tipje van de sluier over donkere materie.
Na de ontdekking van het higgsdeeltje in de zomer van 2012 ging de Large Hadron Collider, de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, die zich in een 27 kilometer lange, ringvormige tunnel onder Genève bevindt, in een lange winterslaap. De voorbije jaren werden talloze reparaties en upgrades aan de versneller uitgevoerd, bijvoorbeeld aan de supergeleidende kabels die de magneten van stroom voorzien en die moeten gekoeld worden tot 1,9 graden boven het absolute nulpunt. Daardoor moet het nu mogelijk zijn om een stroom van 11.000 ampère doorheen de kabels te jagen.
De upgrade van de versneller en de detectors – de twee reusachtige ‘experimenten’ ATLAS en CMS – is niet van de poes: terwijl het higgsdeeltje werd aangetroffen in botsingen bij 8 TeV, wordt het ‘energievenster’ nu substantieel vergroot, tot liefst 13 TeV. (Een leuke vergelijking: 1 TeV komt ongeveer overeen met de energie van een vliegende mug. Dat lijkt niet veel, maar de LHC concentreert die energie natuurlijk wel in een ruimte die een miljoen keer kleiner is dan de mug.)
De botsingsenergieën waarmee de LHC extreem versnelde protonen met elkaar laat botsen (eigenlijk protonen met antiprotonen, maar in wezen gaat het om dezelfde soort deeltjes) zijn vergelijkbaar met de energieën die fracties van seconden na de big bang voorkwamen – ook toen was alle energie trouwens geconcentreerd in een hyperkleine ruimte. Verhoog je de botsingsenergie van een versneller, dan ga je tegelijk dus een stapje terug in de tijd. Zo zorgt de sprong van 8 naar 13 TeV ervoor dat fysici één nulletje achter de komma dichter bij de big bang kunnen kruipen – zo ongeveer tot op 0,00000000000001 seconden. Natuurlijk koestert elke fysici de hoop dat dit nieuwe inzichten oplevert over de fundamentele interacties van de zwaartekracht op kwantumniveau. Zoals de recente film The Theory of Everything, over het leven van Stephen Hawking, mooi laat zien, leeft de droom om alle natuurkrachten met elkaar te verenigen en te beschrijven in eenzelfde formule ook vandaag nog.
Maar een grote, allesomvattende theorie ontwikkelen is veeleer het werk van de theoretici – en die zul je in het CERN, het Europese onderzoekscentrum voor deeltjesfysici dat de LHC uitbaat, niet zo gauw tegenkomen. De duizenden experimentalisten in Genève werken daarentegen stapje voor stapje. Voor hen betekent een hogere botsingsenergie in de eerste plaats dat ze in de proton-protonbotsingen exotische deeltjes kunnen creëren die voordien onbereikbaar waren. Een van die exoten is het gluino, een voorlopig nog hypothetisch deeltje (elementaire deeltjes leiden trouwens bijna altijd eerst een lang leven op papier, vooraleer ze worden ontdekt). Fysici noemen het gluino de supersymmetrische partner van het gluon – het krachtvoerende deeltje dat de interactie regelt en zodoende de quarks in een proton of een neutron bij elkaar houdt.
Supersymmetrie geldt als de meest kansrijke theorie van het moment om het standaardmodel, dat sedert de detectie van het higgsdeeltje compleet is, uit te breiden. Ieder elementair deeltje heeft in deze theorie een superpartner – ook wel een Susy genoemd – met een andere spin. Zo hebben alle fermionen (deeltjes zoals elektronen en protonen met een halftallige spin) een boson (deeltjes zoals fotonen en gluonen met een heeltallige spin) als Susy. Voor het gluon is dit dus het gluino. Als de fysici slagen in hun opzet, zou er voor het eerst een Susy worden ‘betrapt’ in een deeltjesversneller.
De fysici zullen het gluino overigens niet rechtstreeks detecteren. Om haar bestaan te bewijzen, zullen ze haar verval in een resem andere, lichtere deeltjes moeten reconstrueren. Die noodzakelijke omweg is de moeite waard, want als de theoretici het allemaal correct hebben uitgerekend, wordt tijdens dat vervalproces ook het neutralino geproduceerd, de lichtste van alle Susy’s. Dat kan dus niet verder vervallen in nog lichtere deeltjes.
Het neutralino geldt als een kandidaat-deeltje voor donkere materie, de mysterieuze materie die de sterrenstelsels bij elkaar houdt maar die nog geen enkele telescoop kon waarnemen. Veel meer dan supersymmetrie – dat zich voornamelijk bevindt op het speelterrein van de abstracte theorieën – spreekt donkere materie tot de verbeelding. Een brok geheimzinnige materie die geen enkele vorm van (de ons bekende) straling uitzendt en die zich alleen verraadt door het feit dat er gewoon veel te weinig normale materie in het universum rondzweeft, heeft tenminste een macroscopische dimensie waarbij we ons iets kunnen voorstellen.
Als de CERN-onderzoekers het gluino en het neutralino de komende maanden vinden, zullen die ons de eerste informatie verschaffen over de ware aard van donkere materie. Het zou goed kunnen dat er meerdere donkere materiedeeltjes bestaan – misschien wel evenveel als gewone materiedeeltjes.
Volgens Beate Heinemann, een natuurkundige die verbonden is aan het ATLAS-experiment, wordt het gluino (en het neutralino) nog voor het einde de zomer gevonden. 'Maar dan moet echt wel alles meezitten.'
Heinemann vindt deze zoektocht spannender dan de ontdekking van het higgsdeeltje, bijna drie jaar geleden. 'We staan op het punt een geheel nieuwe wereld binnen te gaan', zei ze op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science (AAAS), die plaatsvond in februari en waar onderzoekers van CERN commentaar gaven op de nakende heropstart van de LHC.
'Honderd jaar geleden ontdekten we antimaterie. Nu is de tijd rijp om supersymmetrische materie te vinden', aldus Heinemann.
