Als deeltjesfysici hun zin krijgen, zullen nieuwe versnellers op een dag het meest merkwaardige subatomaire deeltje in de fysica, het Higgs-deeltje, onder de loep nemen. Zes jaar na de ontdekking van dit deeltje bij de Large Hadron Collider, plannen natuurkundigen enorme nieuwe machines die zich tientallen kilometers zullen uitstrekken in Europa, Japan of China.
Nieuwe colliders: wat ze zullen zijn
De ontdekking van dit subatomaire deeltje, dat de oorsprong van massa onthult, leidde tot de voltooiing van het standaardmodel, de overkoepelende theorie van de deeltjesfysica. En het werd ook een mijlpaal voor de LHC, momenteel 's werelds grootste versneller - het werd tenslotte gebouwd om naar het Higgs-deeltje te zoeken, maar niet alleen.
Nu willen natuurkundigen dieper in de mysteries van het Higgs-deeltje duiken in de hoop dat het de sleutel zal zijn tot het oplossen van de langlopende problemen van de deeltjesfysica. "De Higgs is een speciaal deeltje", zegt natuurkundige Yifang Wang, directeur van het Institute for High Energy Physics in Peking. "Wij geloven dat de Higgs een venster naar de toekomst is."
De Large Hadron Collider, ook wel bekend als de LHC, bestaande uit een 27 kilometer lange ring, waarin protonen versnellen tot bijna de snelheid van het licht en miljarden keren per seconde botsen, heeft bijna zijn limiet bereikt. Hij heeft uitstekend werk verricht bij het vinden van de Higgs, maar hij is niet geschikt voor gedetailleerd onderzoek.
Daarom eisen deeltjesfysici een nieuwe deeltjesversneller die speciaal is ontworpen om stapels Higgs-bosonen te lanceren. Er zijn verschillende ontwerpen voorgesteld voor deze krachtige nieuwe machines, en wetenschappers hopen dat deze Higgs-fabrieken kunnen helpen oplossingen te vinden voor de flagrante zwakheden van het standaardmodel.
Promotie video:
"Het standaardmodel is geen complete theorie van het universum", zegt experimenteel deeltjesfysicus Galina Abramovich van de Universiteit van Tel Aviv. Deze theorie verklaart bijvoorbeeld geen donkere materie, een niet-geïdentificeerde stof waarvan de massa nodig is om rekening te houden met kosmische waarnemingen zoals de beweging van sterren in sterrenstelsels. Het verklaart ook niet waarom het universum van materie is gemaakt, terwijl antimaterie uiterst zeldzaam is.
Voorstanders van de nieuwe colliders beweren dat een zorgvuldige studie van het Higgs-deeltje wetenschappers de weg zou kunnen wijzen naar het oplossen van deze mysteries. Maar onder wetenschappers wordt de wens naar nieuwe dure versnellers niet door iedereen ondersteund. Bovendien is het niet duidelijk wat er precies van dergelijke machines te vinden is.
Volgende in de rij
De eerste in de rij is de International Linear Collider in het noorden van Japan. In tegenstelling tot de LHC, waarin deeltjes in een ring bewegen, versnelt de MLC twee deeltjesbundels in een rechte lijn, direct op elkaar, over de gehele lengte van 20 kilometer. En in plaats van protonen samen te duwen, duwt het elektronen en hun antimateriepartners, positronen.
In december 2018 verzette een interdisciplinaire commissie van de Japanse Wetenschappelijke Raad zich echter tegen het project en drong er bij de regering op aan voorzichtig te zijn met haar steun en zich af te vragen of de verwachte wetenschappelijke vooruitgang de kosten van de collider rechtvaardigde, die momenteel wordt geschat op $ 5 miljard.
Voorstanders beweren dat het plan van MLK om elektronen en positronen te laten botsen in plaats van protonen, verschillende grote voordelen heeft. Elektronen en positronen zijn elementaire deeltjes, dat wil zeggen dat ze geen kleinere componenten hebben en protonen zijn samengesteld uit kleinere deeltjes - quarks. Dit betekent dat protonenbotsingen chaotischer zullen zijn en meer nutteloze deeltjesafval zullen creëren dat moet worden gezeefd.
Bovendien valt bij botsingen van protonen slechts een deel van de energie van elk proton daadwerkelijk in de botsing, terwijl bij elektronen-positron-botsers deeltjes de totale energie in de botsing overbrengen. Dit betekent dat wetenschappers de botsingsenergie kunnen afstemmen om het aantal geproduceerde Higgs-bosonen te maximaliseren. Tegelijkertijd zou de MLK slechts 250 miljard elektronvolt nodig hebben om Higgs-bosonen te produceren, vergeleken met 13 biljoen elektronvolt bij de LHC.
Bij MLK "zal de kwaliteit van de gegevens veel beter zijn", zegt deeltjesfysicus Lyn Evans van CERN in Genève. Een op de 100 botsingen bij de MLK zal het Higgs-deeltje produceren, terwijl dit bij de LHC eens in de 10 miljard botsingen gebeurt.
De Japanse regering zal naar verwachting in maart een besluit nemen over de collider. Evans zegt dat als de MLK wordt goedgekeurd, het ongeveer 12 jaar zal duren om te bouwen. Later kan de versneller ook worden geüpgraded om de energie die hij kan bereiken te vergroten.
CERN heeft plannen om een soortgelijke machine te bouwen, de Compact Linear Collider (CLIC). Het zal ook elektronen en positronen laten botsen, maar met hogere energieën dan de MLK. Zijn energie zal beginnen bij 380 miljard elektronenvolt en zal in een reeks updates stijgen tot 3 biljoen elektronenvolt. Om deze hogere energieën te bereiken, moet nieuwe deeltjesversnellingstechnologie worden ontwikkeld, wat betekent dat CLIC niet voor de MLK zal verschijnen, zegt Evans, die de onderzoekssamenwerking bij beide projecten leidt.
Rennen in een cirkel
De andere twee geplande colliders, in China en Europa, zullen zo rond zijn als de LHC, maar veel groter: elk met een omtrek van 100 kilometer. Dit is een cirkel die groot genoeg is om het land Liechtenstein twee keer te omcirkelen. Dit is praktisch de lengte van de ringweg van Moskou.
De circulaire elektronen-positron-collider, waarvan de bouwplaats nog niet is vastgesteld in China, zal 240 miljard elektronen-volt elektronen en positronen laten botsen, volgens een conceptueel plan dat officieel is onthuld in november en wordt gesponsord door Wang en het Institute for High Energy Physics. Deze versneller kan later worden opgewaardeerd om hoogenergetische protonen te laten botsen. Wetenschappers zeggen dat ze tegen 2022 kunnen beginnen met de bouw van deze machine van $ 5-6 miljard en deze tegen 2030 kunnen voltooien.
En op CERN zal ook de voorgestelde Future Circular Collider, de BKK, in fasen in werking treden, waarbij elektronen met positronen en later protonen botsen. Het uiteindelijke doel zal zijn om protonbotsingen te realiseren bij 100 biljoen elektronvolt, meer dan zeven keer de energie van de LHC.
Ondertussen hebben wetenschappers de LHC voor twee jaar stilgelegd en de machine geüpgraded om op hogere energie te werken. In 2026 gaat de LHC met een hoge lichtsterkte werken, waardoor de frequentie van protonenbotsingen met minimaal vijf keer zal toenemen.
Higgs portret
Toen de LHC werd gebouwd, waren wetenschappers zelfverzekerd genoeg om het Higgs-deeltje ermee te vinden. Maar met nieuwe machines is het niet duidelijk naar welke nieuwe deeltjes moet worden gezocht. Ze zullen eenvoudig catalogiseren hoe sterk de Higgs interageert met andere bekende deeltjes.
Metingen van Higgs-interacties kunnen de verwachtingen van het standaardmodel bevestigen. Maar als de waarnemingen verschillen van de verwachtingen, kan de discrepantie indirect wijzen op de aanwezigheid van iets nieuws, zoals de deeltjes waaruit donkere materie bestaat.
Sommige wetenschappers hopen dat er iets onverwachts zal gebeuren. Omdat het Higgsdeeltje zelf een mysterie is: deze deeltjes condenseren tot een melasse-achtige vloeistof. Waarom? We hebben geen idee, zegt deeltjestheoreticus Michael Peskin van Stanford University. Deze vloeistof dringt door het universum, vertraagt deeltjes en geeft ze gewicht.
Een ander mysterie is dat de Higgs-massa een miljoen miljard minder is dan verwacht. Deze eigenaardigheid kan erop wijzen dat er andere deeltjes zijn. Wetenschappers dachten eerder dat ze het Higgs-probleem konden oplossen met behulp van de supersymmetrie-theorie - een medeklinker waarvan elk deeltje een zwaardere partner heeft. Maar dit gebeurde niet, omdat de LHC geen sporen van supersymmetrische deeltjes vond.
Toekomstige botsers kunnen nog steeds tekenen van supersymmetrie vinden of anderszins hint naar nieuwe deeltjes, maar deze keer zullen wetenschappers geen beloftes doen. Ze zijn nu drukker bezig met het ontwikkelen van prioriteiten en het maken van argumenten voor nieuwe colliders en andere experimenten in de deeltjesfysica. Eén ding is zeker: de voorgestelde accelerators zullen onbekend terrein verkennen met onvoorspelbare resultaten.
Ilya Khel
