LHC begint aan Run 3

De opmaat voor intense botsingen

Het wat en waarom van een deeltjesversneller

Bijna iedereen die ouder dan pakweg 25 is, heeft thuis een deeltjesversneller gehad en sommigen hebben er nog steeds een. Een crt-scherm, of dat nu van een oude monitor of van een beeldbuis-tv is, heeft namelijk een deeltjesversneller aan boord in de vorm van het elektronenkanon. Het werkt bijna hetzelfde, alleen op kleinere schaal. Een kathode wordt verwarmd om elektronen los te maken en de elektronen worden door een anode aangetrokken. Een hoog spanningsverschil tussen anode en kathode versnelt de elektronen en elektromagnetische ringen buigen de elektronenstraal af naar de gewenste plek op de binnenkant van het glazen scherm.

Bij een deeltjesversneller zoals die in hoge-energiefysica gebruikt wordt, worden geladen deeltjes net als in een crt door elektromagnetische velden versneld en gestuurd. Bij de Large Hadron Collider worden de deeltjes in een ronde 'buis' gevangen door sterke elektromagneten. Om experimenten te kunnen doen, worden in de LHC, en in andere deeltjesversnellers, twee bundels deeltjes op elkaar gericht, zodat ze kunnen botsen. Uiteraard dankt de Large Hadron Collider daar zijn naam aan: hadronen (zie kader Het Standaardmodel) botsen in dit enorme apparaat tegen elkaar. Om een idee te geven hoe groot de LHC is: de twee buizen waarin de bundels gevangen zijn, vormen een cirkel met een omtrek van 26,7km, ofwel een diameter van bijna 8,5km.

Linac4, een 86 meter lange lineaire versneller

Anders dan in je oude tv of monitor botsen de deeltjes in de LHC met veel grotere snelheid of energie. Waar een beetje crt met spanningen van pakweg 20 tot 40kV werkt, levert dat een energie op van slechts evenzoveel elektronvolt. Hoewel de elektronen met enkele tientallen procenten van de lichtsnelheid bewegen, is de energie met een ordegrootte van kilo-elektronvolts beperkt. In de LHC worden protonen versneld tot bijna de lichtsnelheid, met een energie die in tera-elektronvolts gemeten wordt. Dat is een miljard keer meer energie waarmee de deeltjes tegen elkaar botsen.

Als de deeltjes in de versneller tegen elkaar botsen, gebeurt er de meeste tijd niets. Soms raken de protonen of ionen elkaar echter precies goed en gaan ze stuk. Dat stukgaan gebeurt op steeds interessantere manieren naarmate meer energie in de deeltjes wordt gestopt, en met speciale detectors kunnen de brokstukken worden 'gezien' en kan ook gevolgd worden wat er met die brokstukken vervolgens weer gebeurt. De meeste subatomaire deeltjes zijn namelijk extreem instabiel en bestaan slechts miljardsten van een seconde voordat ze stabielere deeltjes vormen. Omdat de brokstukken niet alleen heel kort leven, maar ook veel energie krijgen, moeten de detectors groot en extreem gevoelig zijn. Zo is de grootste detector, Atlas, maar liefst 46 meter lang, met een doorsnede van 25 meter.

Schematische doorsnede van een deeltjesdetector

Wat heeft het voor nut om te proberen deeltjes zo hard tegen elkaar te laten botsen? Het korte antwoord is uiteraard: om wetenschap te bedrijven, om erachter te komen hoe de wereld in elkaar steekt. In dit geval kun je dat laatste vrij letterlijk nemen, want door deeltjes te laten botsen, kun je erachter komen of ze uit kleinere deeltjes bestaan. Voorheen dacht men bijvoorbeeld dat protonen, de eenvoudigste atoomkernen van waterstof zonder begeleidend elektron, elementaire deeltjes waren. Volgens het standaardmodel van deeltjesfysica bestaat een proton echter uit drie quarks, gebonden door een gluonveld.

Het Standaardmodel

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica, of het Standard Model, werd in de vorige eeuw ontwikkeld en is in staat gebleken een groot aantal fenomenen, deeltjes en krachten van onze werkelijkheid te verklaren en te voorspellen. Het is de theorie die alle deeltjes die we kennen, indeelt en het bestaan van nog onbekende deeltjes voorspelt. Het model beschrijft elektromagnetisme, de zwakke en sterke kernkracht, maar één belangrijke kracht ontbreekt: zwaartekracht. Vooralsnog kan de relativiteitstheorie daardoor niet verenigd worden met quantummechanica en duurt de zoektocht naar een Theorie van Alles voort.

Het Standaardmodel is wel succesvol in het indelen van elementaire deeltjes. Zowel bekende als voorspelde deeltjes worden door het model verklaard. Zo zijn deeltjes ingedeeld in twee hoofdgroepen: fermionen en bosonen. De fermionen bestaan uit quarks, leptonen en hun antideeltjes. Van de quarks zijn er weer drie generaties, met ieder twee deeltjes (en hun antideeltjes). De meeste materie die we kennen, bestaat uit quarks van de eerste generatie, de up- en downquarks.

Het Standaardmodel met alle tot dusver bekende deeltjes

De leptonen bestaan uit zes deeltjes verdeeld over drie generaties en hun antideeltjes, waarvan het elektron en zijn tegendeeltje positron waarschijnlijk de bekendste zijn. Ook het elektron-neutrino is vrij bekend en wordt vaak simpelweg neutrino genoemd. Het komt vaak voor, maar reageert met vrijwel niets, waardoor het lastig waar te nemen is. De laatste lepton, het tau-neutrino, werd pas in 2000 gedetecteerd in de Amerikaanse Fermilab-deeltjesversneller.

De tweede hoofdgroep van het Standaardmodel bestaat uit bosonen, waarvan het higgsboson, dat tien jaar geleden werd gedetecteerd, het recentst ontdekte boson is. Dat is ook het enige scalaire boson dat tot dusver gevonden is. De overige bosonen zijn uitwisselingsdeeltjes van de elektromagnetische, sterke en zwakke krachten, met respectievelijk het foton, het gluon en de W- en Z-bosonen.

Deze fermionen en leptonen zijn de elementaire deeltjes, die volgens de huidige theorie niet kunnen worden opgesplitst in kleinere delen. Wel vormen ze samen alle materie die we kennen. Zo worden protonen en neutronen, de bouwstenen van atomen, gevormd door drie quarks en een gluon. Dat zijn stabiele deeltjes die onder de baryonfamilie vallen. Als slechts twee quarks, een quark en een antiquark, een deeltje vormen, zijn dat mesonen. Die kom je niet veel tegen, want ze hebben een extreem korte levensduur. Zowel baryonen als mesonen vallen onder de overkoepelende noemer hadronen, waaraan de LHC zijn naam dankt.

Pas in de jaren zestig van de vorige eeuw zijn theoriën over die quarks bedacht en werden via deeltjesversnellers de eerste aanwijzigingen voor hun bestaan gevonden. Door deeltjes steeds harder te laten botsen, kun je mogelijk meer over hun samenstelling te weten komen. Zo kunnen deeltjes die maar heel kort bestaan en zeer zeldzaam zijn, pas bij zeer energierijke botsingen ontstaan. Bovendien vergroot je de kans dat er überhaupt iets gebeurt door heel veel deeltjes heel hard op elkaar te laten botsen. Als, uiteraard spaaklopende, analogie kun je je voorstellen dat een deeltje uit een skippybal met daarin een paar kleine magneetjes bestaat. Als je die van grote afstand naar elkaar gooit, zullen de magneetjes elkaar bijna altijd missen en als ze elkaar al raken, stuiteren ze van elkaar weg. Door ze bizar hard te gooien heb je kans dat de magneetjes daadwerkelijk bij elkaar in de buurt komen, ondanks hun dikke skippybal-omhulsel. Dan nog stoten de magneetjes elkaar af, dus moet je nog harder gooien om die afstoting te overwinnen. En als je dan hard genoeg gooit en genoeg ballen hebt, heb je kans dat de magneetjes uit elkaar gestoten worden. En als je nog harder gooit, breken de magneetjes en zie je wat erin zit.

In een deeltjesversneller als de LHC worden protonen, en zwaardere deeltjes zoals lood-ionen, zo hard tegen elkaar geschoten, dat niet alleen de kernen uiteenvallen in quarks, maar dat die elementaire deeltjes ook nog eens genoeg energie meekrijgen om heel kort nog veel exotischere deeltjes te maken. Die veranderen in zeer korte tijd in stabielere deeltjes en bovendien is de kans op hun productie heel klein. Daarom worden enorm grote en gevoelige detectoren in de LHC gebruikt om die superkortlevende deeltjes te detecteren. En om de kans op hun ontstaan te vergroten, worden heel veel deeltjes op elkaar gebotst, met hoge snelheid en energie.

Schematische weergave van een botsing tussen deeltjes waarbij kortstondig nieuwe deeltjes ontstaan

In Run 3 van de LHC die zojuist van start is gegaan, worden protonen met een energie van 6,8TeV tegen elkaar geschoten. Dat resulteert in botsingen van 13,6TeV, iets meer energie dan de 13TeV waarmee tijdens Run 2 gebotst werd. Daarbij schieten de protonen met bijna de snelheid van het licht rond hun buizen. Ze gaan slechts 3,1m/s langzamer dan licht, ofwel 0,999999990 maal de lichtsnelheid c. Ze maken hun rondjes in 90 miljoenste van een seconde. Tijdens Run 3 wordt het aantal protonen in een bundel vergroot om zo de luminositeit, een aanduiding voor het aantal gedetecteerde botsingen in een tijdvak, te vergroten. Dat levert meer data op en meer kans om interessante gebeurtenissen waar te nemen.

• Volgende pagina 3. Upgrades tijdens Long Shutdown 2