De herstart van de Large Hadron Collider

De herstart van de Large Hadron Collider

Afgelopen 10 april is de Large Hadron Collider in CERN weer aangezet, na een upgrade van maar liefst twee jaar. Voor de ontdekking van het higgsboson draaide de LHC namelijk maar op halve kracht, dat was genoeg om het higgsdeeltje te kunnen bevestigen of uit te sluiten. Daarna is de deeltjesversneller uitgezet voor een upgrade, zodat hij nu op volle kracht kan draaien. Wat gaat er allemaal gebeuren de komende tijd?

Wat is er verbeterd?

De Large Hadron Collider is een deeltjesversneller. Dat betekent dat elementaire deeltjes met een enorme snelheid tegen elkaar botsen. Hierbij wordt er een enorme hoeveelheid energie op een klein gebied gezet, welke met behulp van E=mc² (energie is gelijk aan massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat) omgezet kan worden tot massa (in de vorm van deeltjes). Door meer energie aan de botsende deeltjes te geven, kunnen meer nieuwe deeltjes gevormd worden. Of zwaardere deeltjes. Daarom worden steeds grotere deeltjesversnellers gemaakt: meer energie betekent meer en zwaardere deeltjes vinden. Daarmee kunnen nieuwe theorieën getoetst worden (en nieuwe ontdekkingen worden gedaan).

De botsingsenergie van de ‘oude’ LHC was 7 tera electronvolt. In gewone mensentaal: één enkel deeltje heeft ongeveer evenveel energie als dat een mug nodig heeft om te vliegen. Dat klinkt misschien niet zoveel, maar een mug bestaat uit ongeveer 100.000.000.000.000.000.000.000 deeltjes!

De ring bestaat eigenlijk uit twee ringen. Eentje waar de deeltjes met de klok mee gaan en eentje waar de deeltjes tegen de klok in gaan. Op een interactiepunt komen de twee bundels samen en botsen ze tegen elkaar.

De ‘nieuwe’ LHC verdubbelt in kracht, dus 14 tera electronvolt. Daarmee is er dus dubbel zoveel energie beschikbaar om deeltjes van te maken. Ter vergelijking: één higgsboson weegt 125 giga elektronvolt (dat is 0,125 tera elektronvolt). Dan lijkt 7 tera elektronvolt natuurlijk veel meer dan nodig, maar er worden ook nog andere deeltjes gemaakt. Niemand heeft de controle over welke deeltjes er na de botsing tevoorschijn komen. En omdat er naast higgsdeeltjes ook heel veel andere deeltjes worden gemaakt, heb je een stuk meer energie nodig dan die 0,125 tera elektronvolt.

Waar kan nu naar gezocht worden?

De theorie die alle botsingen voorspelt, en ook voorspelt welke deeltjes uit de botsingen kunnen komen en met welke kans dit allemaal gebeurt, heet het standaardmodel van de deeltjesfysica. Deze theorie voorspelt met waanzinigge precisie alles wat de ‘oude’ Large Hadron Collider en alle andere deeltjesversnellers hebben gemeten, ooit! Zonder uitzondering! Daarmee is het tot nu toe samen met de relativiteitstheorie van Einstein de krachtigste theorie van de natuurkunde. Maar: hij is niet compleet. Problemen als donkere materie en donkere energie kunnen niet met het standaardmodel worden opgelost. Er moet dus een theorie zijn die meer omvat dan het standaardmodel.

Dit is het standaardmodel, met alle verschillende deeltjes uitgesplitst. Atomen bestaan uit de deeltjes 'up', 'down', 'elektron' en 'gluon'. Daarmee kan het hele periodiek systeem der elementen gebouwd worden. Het foton zorgt voor licht, elektriciteit en magnetisme. De 'W' en 'Z' zorgen voor een specifieke vorm van radioactiviteit en de rest zie je niet terug in de 'zichtbare' wereld om ons heen.

Met de upgrade van de LHC is hij zó krachtig dat ze buiten het domein van het standaardmodel treedt. De energie is zo hoog, dat dit raamwerk niet meer voorspelt wat er gebeurt. De metingen die de LHC gaat doen zijn dus een grote verassing!

Er zijn uiteraard wel mogelijke opvolgers van het standaardmodel, waarvan supersymmetrie de meest bekende is. Er zijn er echter nog veel meer. Met de LHC kan gezocht worden naar de opvolger van het standaardmodel. Daarmee wordt zeer waarschijnlijk ook het probleem van donkere materie opgelost. Er worden misschien extra dimensies gevonden, er kunnen zwarte gaten gemaakt worden (welke direct weer uit elkaar vallen, dus geen gevaar maar wel interessant om te bestuderen) en misschien wel het meest interessant: er kunnen nieuwe deeltjes gevonden worden die nog niet eens bedacht zijn.

De komende jaren worden dus razend interessant!

Hoe lang duurt dat?

De Large Hadron Collider zorgt voor de botsingen. Deze vinden plaats op een aantal zogenoemde interactiepunten. Op die punten staan experimenten die de botsingen registreren en verwerken. Elk experiment heeft een bepaald doel en een bepaalde focus. In totaal zijn er 26 experimenten in CERN, waaronder bijvoorbeeld ATLAS en CMS, welke samen het higgsdeeltje hebben bevestigd (in de natuurkunde geldt: één meting is géén meting, dus altijd dubbel checken).

De hoeveelheid data die wordt gegenereerd is zó hoog, dat deze niet zomaar even verwerkt kan worden. Elk jaar wordt er zo’n 25 petabyte aan data gegenereerd (dat is 25.000 terabyte of 25 miljoen gigabyte). Dan is meer dan 90% van de botsingen hardwarematig al weggefiltert! Door zogenaamde hardware triggers kan worden ingesteld welke data al wordt weggegooid nog voordat deze de detector verlaat. Ze zijn zorgvuldig ingesteld om alles weg te gooien wat al bekend is, zodat alleen de interessante data overblijft.

Om al die resterende data te verwerken en er patronen in te kunnen herkennen hebben wetenschappers tijd nodig. Het zal nog één tot twee jaar duren voordat de eerste resultaten naar boven komen (net als bij de ontdekking van het higgsdeeltje overigens). Maar wanneer dat gebeurt, gaan we dingen ontdekken over het universum wat niemand op dit moment nog weet.

De komende jaren zijn daarom voor veel natuurkundigen de meest interessante jaren sinds de ontwikkeling van de moderne natuurkunde in het begin van de 20e eeuw!

Luc Hendriks's afbeelding

Over Luc Hendriks

Nijmegen http://www.heel.al

Reacties