Het grootste wetenschappelijke experiment ter wereld is offline. Een wezel heeft een elektrische transformator op het terrein van deeltjesfysica-instituut Cern in Genève kapot gekauwd. Daardoor is de stroomvoorziening uitgevallen van de Large Hadron Collider. Maar wat wordt er ook alweer precies onderzocht in deze deeltjesversneller? En wat zijn de verdere plannen voor 2016?
1. Wat gebeurt er in de LHC?
In de Large Hadron Collider (LHC) worden deeltjes (vooral protonen) in een 27 kilometer lange ring versneld tot bijna de lichtsnelheid. Dit prachtige experiment is gebouwd door Europese Raad voor Kernonderzoek ofwel Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN).
De protonenbundels in de LHC worden regelmatig in botsing gebracht met bundels die de andere kant op draaien. Bij deze botsingen komt genoeg energie vrij op de stevige protonen kapot te slaan in de kleine brokstukken waar ze uit opgebouwd zijn (quarks). En dan is er nog genoeg energie over om nieuwe deeltjes te laten ontstaan. Energie (E) kan immers omgezet worden in massa (m), volgens Einsteins E=mc2 (de c is de lichtsnelheid).
Om de deeltjes die ontstaan goed te kunnen bestuderen staan er vier enorme detectoren op de plekken waar de bundels botsen: ATLAS, CMS, ALICE en LHCb.
ATLAS en CMS zijn algemenere detectoren die een breed energiespectrum bekijken. Zij vonden het higgsdeeltje en speuren nu verder naar andere, nog niet eerder gemeten deeltjes. Ze zoeken dus naar hetzelfde, maar zijn onafhankelijk van elkaar gebouwd. Hierdoor kunnen de bevindingen onderling geverifieerd worden.
ALICE bestudeert botsingen van zware ionen (zie ook vragen 2 en 3). En LHCb kijkt vooral naar beauty-quarks en anti-beauty-quarks om te ontdekken waarom en meer materie dan antimaterie in ons universum is. Antimaterie bestaat uit antideeltjes die dezelfde massa hebben als gewone deeltjes, maar voor de rest in alle eigenschappen (zoals lading) tegengesteld zijn. Het anti-elektron is bijvoorbeeld even zwaar als een elektron, maar positief geladen in plaats van negatief.
Om de deeltjes tot bijna de lichtsnelheid te versnellen staan om de ring enorme magneten (waar ook wel eens wat mis mee gaat). Met behulp van de magneetvelden krijgen de geladen protonen steeds een flinke duw in de rug waardoor ze harder en harder door de buis suizen. Ongeladen deeltjes merken niets van magneetvelden. Daarom kan de LHC alleen geladen deeltjes versnellen.
2. Worden er alleen maar protonen gebruikt in de LHC?
Nee. In oktober 2010 werden de protonenbundels uit de LHC verwijderd en slechts vier dagen later stond de versneller alweer aan. Deze keer vlogen er voor het eerst loodionen (looddeeltjes met lading) rond. Begin 2013 mochten ze weer. Dit maal botsten ze met een protonenbundel. De laatste keer dat loodionen de versneller in mochten stappen was eind 2015.
De LHC stopt regelmatig voor reparaties en controles in aanloop naar steeds hogere botsingsenergieën. Het is een traditie dat vlak voor een dergelijke stop loodionen een paar rondjes mogen draaien. Eind 2017 staat de volgende stop van de LHC op de planning. Waarschijnlijk zal er dan weer gelegenheid zijn voor de loodionen. Tot nu toe is lood het enige deeltje (naast het proton) dat de kracht van de LHC heeft mogen ervaren.
3. Waarom worden er ook loodionen versneld?
Loodionen zijn veel zwaarder dan protonen waardoor er tijdens een botsing nog hogere dichtheden en temperaturen kunnen ontstaan. De temperatuur loopt op tot ruim een biljoen graden Celsius. Dat is 100.000 keer meer dan de thermometer in de kern van de zon aanwijst.
Normaal gesproken worden de protonen en neutronen uit atoomkernen bijeengehouden door gluonen die de sterke kernkracht vertegenwoordigen. Bij de extreem hoge temperaturen van de loodbotsingen ‘versmelten’ de protonen, neutronen en gluonen samen tot een quark-gluonplasma. Dit exotische goedje heeft alleen bestaan in de eerste microseconden na de Oerknal. Deze extreme omstandigheden willen onderzoekers graag bestuderen om meer te weten te komen over de sterke kernkracht en het heelal vlak na de oerknal.
De loodexperimenten worden vooral bekeken door de detector ALICE, maar ATLAS en CMS doen steeds vaker mee. Dankzij hun onderzoek is er al meer bekend over transport in het quark-gluonplasma en het collectieve gedrag ervan.
4. Wat zijn de gevaren van de LHC?
De enorm hoge temperaturen en dichtheden die behaald worden bij de deeltjesversneller klinken gevaarlijk. De enorme energieën heeft de mensheid nog nooit eerder geproduceerd. Er zijn dan ook mensen die zich zorgen maken over de gevaren die het experiment met zich meebrengt (er bestaan zelfs complottheorieën over de LHC).
Een veel gehoord doemscenario is dat er micro zwarte gaten geproduceerd kunnen worden. Deze gaten zouden de materie om zich heen opslokken en steeds verder groeien tot ze uiteindelijk de hele aarde verzwelgen. Dit beeld is gelukkig niet correct. Micro zwarte gaten verdampen (dankzij hawkingstraling) lang voordat ze de kans krijgen om materie op te slurpen.
Zelfs als de zwarte gaatjes niet verdampen is er geen reden tot ongerustheid. De mensheid heeft deze energieën namelijk nog nooit bereikt, maar voor de natuur is het gesneden koek. Dagelijks wordt de aarde bestookt met deeltjes die vanuit de ruimte onze dampkring binnen komen. Onder deze deeltjes bevinden zich ook dezelfde soort protonen als door de LHC versneld worden. En de botsingen die in de atmosfeer plaatsvinden zijn soms van veel hogere energie dan die in de versneller. Alle gevaarlijke deeltjes en zwarte gaten die in de LHC zouden kunnen ontstaan moeten dus ook al eens in de atmosfeer gecreëerd zijn. Deze kosmische processen vinden namelijk al miljarden jaren plaats. En de aarde bestaat nog steeds. De natuur heeft ons dus laten zien dat het ongevaarlijk is.
5. Wat kunnen we in 2016 van de LHC verwachten?
In 2012 werd het higgsdeeltje gevonden. Het laatste puzzelstukje van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Is de LHC nu klaar? Is alles gevonden? Gelukkig voor de wetenschappers van CERN is het antwoord nee. Er zijn nog veel onopgeloste vraagstukken. Zoals donkere materie die zich wellicht nog in een duister hoekje verstopt. Donkere materie is een nog onbekende vorm van materie waar 85 procent van de massa in het universum uit bestaat.
Ook valt er nog veel meer te leren over het quark-gluonplasma dat met loodbotsingen gecreëerd kan worden. Bovendien hopen sommige onderzoekers op de vondst van een deeltje wat niemand voorspeld heeft. Iets nieuws en spannends. Eind 2015 werd er bekend gemaakt dat wellicht zoiets exotisch gezien was. Helaas is er niet genoeg zekerheid om het een ‘ontdekking’ te noemen. De herstart van 2016 zal uitwijzen of er inderdaad een nieuw deeltje gevonden is.
Om steeds exotischere ontdekkingen te kunnen doen wordt er steeds meer van de LHC gevraagd. De bundels worden tot al maar hogere snelheden versneld. Daarnaast worden er steeds meer pakketjes met protonen rond gestuurd waardoor er meer botsingen plaatsvinden. Ook in 2016 zal deze hoeveelheid botsingen (luminosity in vaktermen) verder omhoog gaan.
Daarnaast zullen er dit jaar meer bundels protonen door de ring suizen, maar bevat elke bundel minder deeltjes. Hierdoor zijn de botsingen ‘schoner’, omdat er minder protonen tegelijk uit elkaar spatten. De LHC wordt dus steeds nauwkeurige. Het is een kwestie van tijd tot er weer een ontdekking van de LHC de voorpagina’s haalt.
Bronnen:
press.cern/backgrounders/safety-lhc
www.nikhef.nl/generalstorage/tt-news/nieuws/nieuws-item/article/updates-van-de-experimenten-lhc-herstart-alice/1/