In 2008 schoot een bundel protonen voor het eerst rond de Large Hadron Collider (LHC), 's werelds krachtigste deeltjesversneller. Nu, tien jaar later, is het tijd om de balans op te maken van wat we dankzij deze faciliteit hebben geleerd en wat ons te wachten staat.
Deze boekhouding omvat zowel toekomstig onderzoek dat de LHC kan uitvoeren als mogelijke nieuwe faciliteiten die deeltjes kunnen laten botsen bij energieën die veel verder gaan dan wat de LHC kan bereiken. Er zijn twee of misschien drie mogelijke vervangingen voor de LHC voorgesteld. Laten we dus eens kijken waar we zijn en waar we het afgelopen decennium zijn gekomen.
Het verhaal van de LHC is zowel opwindend als turbulent, met gebeurtenissen variërend van rampzalige schade aan de enorme magneten van het instrument in de eerste dagen van de operatie, tot een feniksachtige opkomst uit die tragedie, gevolgd door solide en opwindende ontdekkingen, waaronder de ontdekking van het Higgs-deeltje. Die vondst leverde Peter Higgs en Francois Englert de Nobelprijs op, zoals ze het deeltje meer dan een halve eeuw geleden hadden voorspeld. Het is ongebruikelijk dat de wereld het nieuws over deeltjesfysica razendsnel volgt, maar de aankondiging van de ontdekking van de Higgs leidde tot nieuwsuitzendingen over de hele wereld.
Nieuwe fysica vinden
Natuurkundigen zaten ook op het puntje van hun stoel, in afwachting van wat ze hoopten onverwachte ontdekkingen te zijn. Al bijna een halve eeuw hebben wetenschappers het huidige theoretische begrip van het gedrag van subatomaire materie uitgewerkt. Dit begrip wordt het standaardmodel van de deeltjesfysica genoemd.
Het model verklaart het waargenomen gedrag van de moleculen en atomen van gewone materie en zelfs van de kleinste bekende bouwstenen die ooit zijn waargenomen. Deze deeltjes worden quarks en leptonen genoemd, met quarks in de protonen en neutronen die de atoomkern vormen en waarbij elektronen het meest bekende lepton zijn. Het standaardmodel verklaart ook het gedrag van alle bekende krachten, behalve de zwaartekracht. Het is echt een buitengewone wetenschappelijke prestatie.
Het standaardmodel legt echter niet alles uit in de theoretische fysica. Het verklaart niet waarom de quarks en leptonen bestaan in drie verschillende, maar bijna identieke configuraties, generaties genoemd. (Waarom drie? Waarom niet twee? Of vier? Of één? Of 20?) Dit model verklaart niet waarom ons universum volledig uit materie bestaat, terwijl het eenvoudigste begrip van de relativiteitstheorie van Albert Einstein zegt dat het universum ook moet bevatten een gelijke hoeveelheid antimaterie.
Het standaardmodel legt niet uit waarom studies van de kosmos suggereren dat de gewone materie van atomen slechts 5 procent uitmaakt van de materie en energie van het universum. De rest bestaat vermoedelijk uit donkere materie en donkere energie. Donkere materie is een vorm van materie die alleen de zwaartekracht ervaart en geen van de andere fundamentele krachten, terwijl donkere energie een vorm van afstotende zwaartekracht is die de kosmos doordringt.
Voorafgaand aan de eerste operaties van de LHC hoopten natuurkundigen zoals ik dat de atoomvernietiger ons zou helpen deze raadselachtige vragen te beantwoorden. De meest genoemde kandidaattheorie om die puzzels uit te leggen, werd supersymmetrie genoemd. Het suggereert dat alle bekende subatomaire deeltjes "superpartner" -deeltjes hebben. Deze kunnen op hun beurt een verklaring bieden voor donkere materie en een aantal andere vragen beantwoorden. Natuurkundigen hebben echter geen supersymmetrie waargenomen. Bovendien hebben LHC-gegevens de eenvoudigste theorieën met supersymmetrie uitgesloten. Dus, wat heeft de LHC bereikt?
De LHC heeft veel gedaan
Afgezien van dat hele Higgs-deeltje, heeft de LHC gegevens naar zijn vier grote experimentele samenwerkingen gestuurd, resulterend in meer dan 2000 wetenschappelijke artikelen. In de LHC zijn deeltjes in elkaar geslagen met een energie die 6,5 keer hoger is dan die van de Fermilab Tevatron, die een kwart eeuw lang de titel van 's werelds krachtigste deeltjesversneller droeg, totdat de LHC die kroon nam.
Deze tests van het standaardmodel waren erg belangrijk. Elk van die metingen zou het oneens kunnen zijn met voorspellingen, wat tot een ontdekking zou hebben geleid. Het blijkt echter dat het standaardmodel een zeer goede theorie is en dat het even nauwkeurige voorspellingen deed bij LHC-botsingsenergieën als voor de energieniveaus in het eerdere Tevatron.
Dus is dit een probleem? In zeer reële zin is het antwoord nee. Wetenschap draait tenslotte net zo goed om het testen en verwerpen van verkeerde nieuwe ideeën als om het valideren van de juiste.
Aan de andere kant valt niet te ontkennen dat wetenschappers veel opgewondener zouden zijn geweest om verschijnselen te vinden die niet eerder waren voorspeld. Dergelijke ontdekkingen stimuleren de menselijke kennis en mondden uit in het herschrijven van leerboeken.
Het LHC-verhaal is nog niet voorbij
Dus wat nu? Heeft de LHC zijn verhaal verteld? Nauwelijks. Onderzoekers kijken inderdaad uit naar verbeteringen aan de apparatuur die hen zullen helpen vragen te bestuderen die ze met de huidige technologie niet kunnen beantwoorden. De LHC is begin december 2018 stilgelegd voor twee jaar renovatie en upgrades. Wanneer het gaspedaal in het voorjaar van 2021 weer wordt gebruikt, zal het terugkeren met een lichte toename van de energie, maar het dubbele aantal botsingen per seconde. Rekening houdend met toekomstige geplande upgrades, hebben LHC-wetenschappers tot nu toe slechts 3 procent van de verwachte gegevens geregistreerd. Hoewel het vele jaren zal duren om alle bevindingen te doorzien, is het huidige plan om ongeveer 30 keer meer gegevens vast te leggen dan tot nu toe is verkregen. Met nog veel meer gegevens te gaan, heeft de LHC nog veel te vertellen.
Maar hoewel de LHC waarschijnlijk nog 20 jaar zal werken, is het volkomen redelijk om ook te vragen: "Wat nu?" Deeltjesfysici denken erover om een vervolgversneller te bouwen om de LHC te vervangen. Volgens de LHC-traditie zou één mogelijkheid bundels van protonen tegen elkaar in botsing brengen met verbijsterende energieën - 100 biljoen elektronvolt (TeV), wat veel groter is dan het topvermogen van de LHC van 14 TeV. Maar om die energie te bereiken, zijn twee dingen nodig: ten eerste moeten we magneten bouwen die twee keer zo krachtig zijn als de magneten die deeltjes rond de LHC duwen. Dat wordt als uitdagend maar haalbaar beschouwd. Ten tweede hebben we nog een tunnel nodig, net als de LHC's, maar ruim drie keer zo groot, met een omtrek van de honkbalveld van 61 mijl (100 kilometer), ongeveer vier keer groter dan die van de LHC.
Maar waar wordt deze grote tunnel gebouwd en hoe zal deze er echt uitzien? Welke balken botsen en met welke energie? Nou, dat zijn goede vragen. We zijn niet ver genoeg in het ontwerp- en besluitvormingsproces om antwoorden te krijgen, maar er zijn twee zeer grote en ervaren groepen natuurkundigen die over de problemen nadenken, en ze hebben elk een voorstel voor een nieuwe versneller opgesteld. Een van de voorstellen, grotendeels gedreven door Europese onderzoeksgroepen, stelt zich voor om een grote extra versneller te bouwen, waarschijnlijk in het CERN-laboratorium, net buiten Genève.
Volgens één idee zou een voorziening daar een bundel elektronen en antimaterie-elektronen in botsing brengen. Vanwege verschillen tussen versnellende protonen in vergelijking met elektronen - een elektronenbundel verliest meer energie rond de cirkelvormige structuur dan een protonenbundel - zou deze bundel de 61 mijl lange tunnel gebruiken maar met een lagere energie werken dan wanneer het protonen zouden zijn. Een ander voorstel zou dezelfde 61 mijl lange versneller gebruiken om protonenbundels te laten botsen. Een meer bescheiden voorstel zou de huidige LHC-tunnel hergebruiken, maar met krachtigere magneten. Die optie zou de botsingsenergie alleen maar verdubbelen boven wat de LHC nu kan doen, maar het is een goedkoper alternatief. Een ander voorstel, grotendeels verdedigd door Chinese onderzoekers, stelt een geheel nieuwe faciliteit voor, vermoedelijk gebouwd in China. Deze versneller zou ook ongeveer 61 mijl rond zijn en hij zou elektronen en antimaterie-elektronen tegen elkaar botsen, voordat hij omstreeks 2040 overschakelde op proton-proton-botsingen.
Deze twee potentiële projecten bevinden zich nog in de gesprekfase. Uiteindelijk zullen de wetenschappers die deze voorstellen doen een regering of een groep regeringen moeten vinden die bereid is de rekening te betalen. Maar voordat dat kan gebeuren, moeten de wetenschappers de capaciteiten en technologieën bepalen die nodig zijn om deze nieuwe faciliteiten mogelijk te maken. Beide groepen hebben onlangs uitgebreide en grondige documentatie over hun ontwerpen vrijgegeven. Dat is niet genoeg om hun voorgestelde faciliteiten te bouwen, maar het is goed genoeg om zowel de verwachte prestaties van de toekomstige laboratoria te vergelijken als betrouwbare kostenvoorspellingen te gaan opstellen.
Het onderzoeken van de grens van kennis is een moeilijke onderneming en het kan vele decennia duren, van de eerste dromen om een faciliteit van deze omvang te bouwen, via operaties tot de sluiting van de faciliteit. Terwijl we het 10-jarig jubileum van de eerste straal in de LHC vieren, is het de moeite waard om de balans op te maken van wat de faciliteit heeft bereikt en wat de toekomst zal brengen. Het lijkt mij dat er opwindende gegevens zullen zijn voor de volgende generatie wetenschappers om te bestuderen. En misschien, heel misschien, leren we nog een paar van de fascinerende geheimen van de natuur.
Don Lincoln is natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Blow Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), en hij produceert een reeks wetenschappelijk onderwijs videos. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn van hem.
Don Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com Expert Voices: Op-Ed & Insights.
