Nieuwe versneller moet oerknal op aarde reconstrueren
De enorme deeltjesversneller LHC is een groot succes, maar het ambitieuze experiment heeft geen donkere materie gevonden. Onderzoekers gaan een machine bouwen die deeltjes zo kan laten botsen dat er een oerknal ontstaat.
De grote CMS-detector is een van de vier detectoren van de LHC. In 2012 werd hier het higgsdeeltje ontdekt.
Een bundeltje protonen wacht een wrede dood. Onderzoekers pompen met radiogolven steeds meer energie in de bundel, die met bijna de lichtsnelheid door de nauwe buis schiet.
In een andere buis – een paar centimeter verderop – suist een identieke bundel de andere kant op.
Als de bundels door grote detectoren komen, laten de natuurkundigen ze frontaal botsen met een kracht die geen enkele andere machine op aarde kan leveren.
De protonen worden verpulverd en de detectoren proberen nu te identificeren welke nieuwe en exotische deeltjes hebben kunnen ontstaan in de wolk van de verbrijzelde protonen.
Natuurkundigen van CERN, het Europese laboratorium voor kern- en deeltjesfysica, bestuderen al tientallen jaren de kleinste bestanddelen van het heelal.
Ze maakten sinds 2009 gebruik van de LHC-versneller, die in veel opzichten een groot succes was – maar op één cruciaal punt schiet zelfs de grootste deeltjesversneller die er is tekort.
Op zoek naar de mysterieuze donkere materie
Toen de proeven begonnen, hoopten de natuurkundigen dat bij de zeer energierijke botsingen in de LHC donkere materie zou ontstaan, die astronomen nodig hebben om te kunnen verklaren hoe de sterrenstelsels zo snel kunnen draaien zonder hun sterren alle kanten op te slingeren.
Maar de donkere deeltjes verschenen niet, en nu gaat CERN samen met 70 onderzoeksinstellingen over de hele wereld de versneller Future Circular Collider (FCC) bouwen.
Deze gigantische machine zal een omtrek van 100 kilometer krijgen en kan protonen laten botsen met zeven keer zoveel kracht als de LHC.
De grote CMS is een van de vier detectoren van de LHC. In 2012 ontdekte hij mede het higgsdeeltje.
Tweelingen redden grote theorie
Toen onderzoekers met de LHC in 2012 het higgsdeeltje vonden, was het een geweldige ontdekking. Het bestaan van het deeltje is het definitieve bewijs dat de uitgebreidste en succesvolste natuurkundetheorie ooit, het standaardmodel, klopt. Dit model is een overzicht van elementaire deeltjes, waar er twee typen van zijn: atomaire bouwstenen en krachtoverbrengende deeltjes.
Onder de atomaire bouwstenen vallen 12 deeltjes: zes quarks, drie elektronen en drie neutrino’s. Met deze basisingrediënten kunnen alle atomen in het heelal worden voortgebracht. Daarnaast beschrijft het model drie van de vier fundamentele natuurkrachten: de elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke kernkracht, die elk hun krachtdeeltje hebben.
Het foton, het krachtoverbrengende deeltje van de elektromagnetische kracht, is het bekendst. Maar de wetenschappers zijn er nog niet in geslaagd een krachtdeeltje te vinden dat de vierde kracht, zwaartekracht, voortplant.
Daarom ontwikkelden natuurkundigen kwantumgravitatietheorieën waarbij de massa’s van lichamen elkaar aantrekken door gravitonen uit te wisselen. Maar deze theorie klopt wiskundig gezien alleen als ieder elementair deeltje een onzichtbare tweeling heeft.
Dit betekent dat de atomaire bouwstenen van het standaardmodel, zoals quarks, een krachtoverbrengende tweeling moeten hebben, terwijl krachtdeeltjes een atomaire bouwsteen als partner moeten hebben; voor een foton is dat een fotino.
Die tweelingdeeltjes hoopten natuurkundigen met de LHC te vinden. Dat zou niet alleen leiden tot een theorie die alle kosmische verschijnselen kan verklaren, maar ook het bewijs zijn dat donkere materie bestaat, waarmee astronomen een groot probleem zouden oplossen.
Ze weten namelijk niet waardoor sterren zo hard om het centrum van de Melkweg kunnen draaien zonder uit de bocht te vliegen – tenzij de zwaartekracht van donkere materie ze vasthoudt.
LHC komt kracht tekort
Massa en energie zijn twee kanten van dezelfde zaak. Hoe zwaarder de deeltjes zijn, hoe groter hun energie is, en daarom wordt de massa van deeltjes vaak gemeten in de energie-eenheid giga-elektronvolt (GeV).
Na de analyse van miljarden protonenbotsingen in de LHC blijkt dat de tweelingdeeltjes een massa van minstens 1-2000 GeV moeten hebben. Maar hoe zwaarder de deeltjes zijn, hoe meer energie er nodig is om ze in de versnellers voort te brengen.
Het is onzeker of LHC zulke zware deeltjes kan produceren – het higgsdeeltje weegt maar 125 GeV. Er is dus een nieuwe, nog veel grotere versneller nodig, die veel meer energie kan leveren.
Higgs verdient nadere studie
De FCC-versneller wordt pas voltooid in 2035, maar CERN heeft al een projectgroep opgezet om het ontwerp van de joekel uit te denken.
Er zijn nog maar weinig details bekend over het project, maar volgens de leider van de projectgroep, Frank Zimmermann, zullen er vermoedelijk twee verschillende versnellers in de 100 kilometer lange tunnel komen.
Waarom dat het plan is, lees je in Wetenschap in Beeld 9-2018. We leggen ook uit hoe wetenschappers willen ontdekken wat donkere materie is als het niet gedetecteerd kan worden door onze apparaten.