Het nieuwe project van CERN is om een mechanisme te bouwen dat bijna vier keer groter zal zijn dan het grootste bestaande apparaat. Maar waar is het precies voor?
De Large Hadron Collider (LHC) is misschien wel een van de meest mysterieuze apparaten ter wereld. Het bevindt zich in een 27 kilometer lange ronde tunnel op de grens tussen Frankrijk en Zwitserland en heeft als belangrijkste taak om de kleinste deeltjes van het universum te laten botsen.
Dit mechanisme werd over de hele wereld beroemd in 2012, toen CERN (European Organization for Nuclear Research) de ontdekking van het Higgs-deeltje aankondigde. De theorie van het bestaan van dit elementaire deeltje verscheen vele decennia geleden, de wiskundige berekeningen achter het standaardmodel van elementaire deeltjes gingen ervan uit dat het bestaat, maar niemand kon het oplossen vóór het experiment bij de LHC.
En nu heeft CERN het over plannen voor de toekomst. Sinds 2009 worden experimenten uitgevoerd met behulp van de LHC met onderbrekingen om het mechanisme te actualiseren. Nu zo'n pauze, en in 2021 wordt de LHC weer gelanceerd, waarna hij nog enkele decennia zal werken.
Maar de bestaande projecten zijn zo ambitieus dat CERN al enkele jaren een voorstel bespreekt om een opvolger van de LHC te bouwen. En nu zijn de medewerkers van de organisatie klaar om hun visie op de toekomst te delen.
Nu de Future Circular Collider (FCC) genoemd, werden de plannen voor de bouw ervan in januari 2019 aangekondigd. De BCC is veel groter en krachtiger dan de huidige accelerator. Hoewel dit slechts een plan is, is het nog niet geaccepteerd. Als het plan wordt uitgevoerd, beginnen de experimenten bij het BCC in de jaren 2040.
Volgens CERN zullen de totale bouwkosten iets meer dan 200 miljard kronen bedragen (meer dan 1,5 biljoen roebel - ongeveer vert.). De lidstaten van de organisatie zullen het project gedurende tientallen jaren financieren. Noorwegen is een van de 22 lidstaten van CERN en zal in 2019 ongeveer 240 miljoen kronen (meer dan 1,8 miljard roebel) bijdragen.
Promotie video:
Maar waarom hebben we een nieuwe deeltjesversneller nodig, wat hopen wetenschappers ermee te bereiken?
Lange lange tunnel
De LHC wordt in dezelfde tunnel gelegd als de vorige deeltjesversneller, alleen is daar een nieuwe vulling geplaatst. Het werk van het vorige apparaat werd in 2000 beknot.
Maar voor het BCC wordt een compleet nieuwe tunnel van 100 kilometer lang gebouwd. Door de grotere lengte van de deeltjesversneller zullen de deeltjes met veel meer kracht botsen.
"Honderd jaar lang is de botsing van kleine stukjes materie met grote kracht misschien wel de belangrijkste experimentele methode geweest om de structuur en samenstelling van materie te bestuderen", zegt Anders Kvellestad, een deeltjesfysicus aan het Imperial College London.
In feite vereist het CERN-plan de bouw van meerdere apparaten in dezelfde tunnel, die na elkaar zullen worden geplaatst. Het eerste mechanisme zal elektronen en positronen laten botsen en kan worden gebruikt voor nauwkeurigere metingen en studies, bijvoorbeeld het Higgs-deeltje, waarover lang niet alles bekend is.
Het zal ook mogelijk zijn om kwantumsporen van volledig nieuwe onbekende deeltjes te detecteren zonder directe waarnemingen te doen.
Nieuwe fysica?
Naast andere experimenten met botsingen van elektronen en kernen van loodatomen, is het de bedoeling om later een zeer krachtig mechanisme te bouwen waarmee protonen in botsing komen met protonen in de tunnel.
“In de deeltjesfysica lijkt de botsing van een proton met een proton op een voorhamer, terwijl de botsing van een elektron met een positron te vergelijken is met een kleine geologische hamer. De eerste geeft meer kracht, terwijl de laatste nauwkeuriger is."
Het vermogen van de deeltjesbundel zelf wordt gemeten in tera-elektronvolt (TeV). De LHC, 27 kilometer lang, kan 14 TeV aan, terwijl het nieuwe gaspedaal een vermogen tot 100 TeV aankan.
Met hogere energieën kun je zwaardere deeltjes "lokken", die misschien nog niet eerder zijn waargenomen, en het is mogelijk dat de resultaten van dergelijke experimenten een idee zullen geven van een compleet nieuwe fysica, legt Kvellestad uit.
Omdat het universum nog vol zit met dingen die wetenschappers niet begrijpen. Er is bijvoorbeeld geen antwoord op de vraag wat donkere energie en donkere materie werkelijk zijn, hoewel ze centrale concepten zijn in ons huidige begrip van het universum.
Er is ook een groot probleem in de moderne natuurkunde. Algemene relativiteitstheorie en kwantumveldentheorie, die elementaire deeltjes beschrijft, vallen niet samen. Er is momenteel geen verklaring voor de zwaartekracht zelf, die in beide modellen past.
Hoe je het ook bekijkt, er ontbreekt iets bij het begrijpen van het universum. Er worden veel verklaringen geboden, maar onderzoekers hebben bewijs nodig.
En natuurkundigen hoopten dat de huidige deeltjesversneller van de LHC een hint zou geven over nieuwe fysica. Dit is nog niet gebeurd, maar de LHC zal nog vele jaren werken.
“We weten nu alles over enkele kleine maar interessante discrepanties tussen theorie en praktijk in de bestaande data. Daarom verwacht ik dat de resultaten van de volgende ronde van het werk van de LHC ons zullen laten zien of deze discrepanties te wijten zijn aan de "nieuwe fysica" of dat het slechts statistische variaties zijn ", zegt Kvellestad.
Maar er zijn ook twijfels over de plannen om nieuwe deeltjesversnellers te bouwen.
Zal het echt iets doen?
De Duitse natuurkundige Sabine Hossenfelder is een van de critici van het MCC-voorstel. Ze schreef een boek over hoe de natuurkunde te veel bezig is met de "schoonheid" van vergelijkingen.
In een column in The New York Times bekritiseert ze het project met name vanwege het feit dat CERN het biedt met dezelfde beloften die vóór de bouw van de LHC zijn gedaan: het vinden van donkere materie en het verhelderen van de oorsprong van het universum.
Het probleem is dat een dergelijk resultaat op geen enkele manier kan worden gegarandeerd, zegt Hossenfelder. Natuurkundigen waren er vrijwel zeker van dat ze het Higgs-deeltje zouden vinden met behulp van de LHC, maar nu hebben ze niet zulke veelbelovende doelen.
Supersymmetrie is een theorie die het bestaan van verschillende deeltjes voorspelde die de hiaten in het standaardmodel zouden kunnen opvullen, maar deze deeltjes zijn nog niet in experimenten besproken.
Hossenfelder stelt dat de natuurkunde voorlopig andere mogelijkheden zou moeten onderzoeken, en dat het beter is om te wachten met de constructie van een grote versneller, met de nadruk op de vraag waarom de vermeende deeltjes niet in de LHC zijn verschenen.
Als je geïnteresseerd bent, kun je meer lezen over de kritiek op het project op haar blog. Ze zegt ook dat als het de komende jaren echt mogelijk is om met hulp van de LHC iets te vinden, het beeld kan veranderen.
Basis onderzoek
"Na de ontdekking van het Higss-deeltje hebben we geen theoretische 'garanties' meer dat we nieuwe deeltjes zullen vinden in experimenten van de volgende generatie ”, zegt Anders Kvellestad. - Maar het betekent eigenlijk gewoon dat de deeltjesfysica weer vrij normaal is voor fundamentele onderzoekstoestand - wanneer niemand weet wat er in het volgende experiment kan worden onthuld."
"Er zijn verschillende voorbeelden van ontdekkingen in de geschiedenis van de natuurkunde die niemand heeft voorzien."
Kvellestad is van mening dat zelfs als natuurkundigen het niet eens zijn over wat ze van deze experimenten kunnen verwachten, dit geen argument mag zijn tegen het uitvoeren van grote nieuwe experimenten.
Dankzij de nieuwe deeltjesversnellers zullen wetenschappers reeds bekende deeltjes beter kunnen onderzoeken en meten, zei Kvellestad.
Moet u een groter mechanisme bouwen, maar nu niet?
"Het lijdt geen twijfel dat het toekomstige pad van deeltjesfysisch onderzoek door een groter mechanisme gaat", zegt Bjørn Samset, onderzoeker bij het Cicero Center for International Environmental and Climate Research. Hij is een elementaire deeltjesfysicus van opleiding en werkte bij CERN.
"De enige vraag is of het tijd is om het te bouwen of dat het beter is om je voorlopig op andere dingen te concentreren."
Hij gelooft ook dat de natuurkunde waarschijnlijk meer zou profiteren als andere projecten eerst in meer detail zouden worden geëvalueerd, wat zou kunnen helpen om beter te begrijpen wat het nieuwe apparaat precies zou kunnen vinden.
Samset noemt donkere materie als voorbeeld.
"Velen hoopten dat de LHC genoeg energie zou hebben om de deeltjes te creëren waaruit donkere materie kan bestaan."
Er zijn veel theorieën naar voren gebracht en sommige zijn weerlegd, maar veel moeten nog worden geverifieerd. De vraag is of het misschien niet beter is om je te focussen op andere methoden, zoals speciale sensoren, waarmee je direct donkere materie kunt vastleggen.
Als de BCC er komt, zal dit niet snel gebeuren, maar Samset benadrukt dat het erg belangrijk is om dergelijke projecten vooraf te bespreken.
“Het gevaar van wachten is het verlies van ervaring. Technici bij CERN zijn echte goochelaars, ze laten het gaspedaal ongelooflijke dingen doen. Als we nu niet beginnen met het plannen van het volgende project, kan veel van deze ervaring verloren gaan."
Tegelijkertijd gelooft hij dat ervaring kan worden overgedragen in het kader van andere projecten. Maar hij heeft er vertrouwen in dat er nog steeds enorme versnellers zullen worden gebouwd.
"Zo'n mechanisme zou gebouwd moeten worden, en het zal ook gebouwd worden, maar misschien is het nog te vroeg?"
Lasse Biørnstad
