Nooit eerder was de kans groter om met deeltjesversneller iets te vinden dat compleet nieuw is voor de wetenschap

Op lastige momenten, bijvoorbeeld op ochtenden wanneer de toast aanbrandt, de kinderen de koffie van tafel trekken en de baas boos aan de lijn hangt, kan deeltjesfysica troost bieden. Want zelfs de slimste opvolgers van Albert Einstein hebben er momenteel geen idee van waarom wij in deze exacte werkelijkheid leven en hoe die in elkaar steekt. Chaos, vraagtekens en frustratie over onze beperkte grip op tijd en ruimte overheersen ook hun levens, zelfs al staat er een Nobelprijs in de kast.

“Er zijn veel problemen. Het lijkt erop dat tijd en ruimte geen finale noties zijn. Er zit nog iets achter het gordijn dat licht kan werpen op hoe alle nu bekende puzzelstukken samenvallen”, zo verklaarde bijvoorbeeld François Englert een jaar geleden zorgelijk in deze krant. De Belgische professor theoretische natuurkunde (ULB) kreeg in 2013 samen met zijn Britse collega Peter Higgs de hoogste wetenschappelijke onderscheiding voor zijn ontdekking van het elementaire deeltje ‘H’, het Brout-Englert-Higgs-deeltje.

Daardoor weten we beter dan ooit waaruit die aangebrande toast, de koffiekan en al de rest in onze tastbare wereld is samengesteld: elementaire deeltjes, de kleinste bouwstenen van onze werkelijkheid. En het H-deeltje, waarvan Englert het bestaan voorspelde in 1964, verklaart waarom al die deeltjes massa krijgen.

Fysici hebben alle deeltjes en hun onderlinge interacties samengevoegd in het ‘standaardmodel’. Dat model past op een koffiekop, das of T-shirt. Maar het is niet compleet. Zo blijkt dat de kwantummechanica, de wetten van het allerkleinste, niet aansluiten bij de zwaartekracht, de wetten van het allergrootste. Dat de theorie van de zwaartekracht en de kwantummechanica niet compatibel blijken, wil zeggen dat minstens één van beide onvoldoende juist is.

Ook verklaart het standaardmodel slechts de ‘gewone’, ons bekende materie. Maar die omvat maar 15 procent van alle materie in het universum. De andere 85 procent moet ‘donkere materie’ zijn, zo tonen wetenschappelijke observaties in de ruimte. Bovendien weten we niet hoe het is kunnen gebeuren dat uit het ‘niets’ het universum is ontstaan zoals we dat kennen.

Daarom is op de grens tussen Zwitserland en Frankrijk een hernieuwde zoektocht gestart naar antwoorden op al die vragen. Dat doen natuurkundigen aan het CERN, het Europees Onderzoeksinstituut voor Nucleair Onderzoek. En ze doen dat met een gevaarte dat Large Hadron Collider heet, ’s werelds krachtigste deeltjesversneller.

Het is een 27 kilometer lange tunnel op honderd meter diepte. In die complexe constructie van metaal, supergeleidende magneten en elektronica - die is betaald met 4 miljard euro overheidsgeld en die jaarlijks ruim een miljard extra kosten betekent - laten onderzoekers protonen tegen elkaar botsen. Protonen zijn al ongelofelijk klein en zitten in de kern van atomen. In de LHC knallen ze tegen elkaar met bijna de snelheid van het licht. Dat geeft intense botsingen die nog kleinere deeltjes doen ontstaan die in alle mogelijke richtingen vliegen.

Vier grote detectoren in de enorme tunnel sporen hun traject op en op basis daarvan kunnen de wetenschappers uitmaken wat voor elementair deeltje daar is gepasseerd. Vergelijk het met biologen die de soort van een dier bepalen op basis van pootafdrukken.

Het lijkt gek, maar alleen met zo’n enorme machine blijkt het mogelijk om iets te weten te komen over de allerkleinste stukken van onze wereld. In 2012 is zo het door Englert voorspelde H-deeltje ontdekt in de Large Hadron Collider. Daarmee was het standaardmodel compleet. De spectaculaire vondst sterkte natuurkundigen in hun overtuiging dat dit soort experimenten de grote mysteries van het universum zou ophelderen.

Maar sindsdien hebben de botsingen tussen elementaire deeltjes onder de grond bij Genève nog geen antwoorden gegeven. En in 2018 is de Large Hadron Collider stilgelegd voor geplande werken.

Vier jaar later is de machine nu opnieuw begonnen met supersonische botsingen. In die vier jaar is de machine flink gepimpt. Zo werkt de LHC nu met een hogere energie en zijn er krachtiger magneten toegevoegd die de protonen in dunnere bundels samenpersen doorheen de tunnel.

Daardoor ontstaan er veel meer botsingen, waardoor de kans om uitzonderlijke fenomenen te ontwaren veel groter wordt. De meetinstrumenten zijn nu ook gevoeliger, wat het mogelijk maakt de botsingen meer in detail te bestuderen. Verder is de software zodanig verbeterd dat het mogelijk wordt 30 miljoen keer per seconde gegevens te verzamelen.

“Het betekent dat we in de komende drie jaar evenveel botsingen kunnen tot stand brengen als in de afgelopen tien jaar”, zegt Rhodri Jones, hoofd versnellersintrumentatie bij het CERN, daarover tegen BBC. En de sporen ervan kunnen dus ook nog eens veel meer in detail geobserveerd worden. 

Nooit eerder was de kans groter om met deze deeltjesversneller iets te vinden dat compleet nieuw is voor de wetenschap. De verwachtingen zijn dan ook enorm, ook al omdat velen hadden verwacht dat de Large Hadron Collider ondertussen al bewijzen voor ‘een nieuwe fysica’ zou hebben gevonden. Nu hij zoveel krachtiger en preciezer is gemaakt, leeft het CERN  op de hoop de komende vier jaar ontdekkingen te doen die de grootste revolutie in de laatste honderd jaar van de natuurkunde zouden betekenen.

“De druk is inderdaad groot, maar dat is niet slecht”, zegt Jorgen D’Hondt, professor fysica (VUB) en met zijn team betrokken bij een van de experimenten. “Want er zijn heel wat inspanningen nodig om ons tot aan en liefst voorbij de grenzen van de bekende wereld te stuwen. De duizenden wetenschappers die hier in het CERN meewerken, staan te springen om in de nieuwe gegevens te duiken.”

Zelf is de ploeg van D’Hondt nauw betrokken bij onderzoek dat nagaat of het H-deeltje nog verrassingen in petto heeft. Dat is een van de grote open vragen. Dankzij de verbeteringen aan de deeltjesversneller zal die vijf keer meer H-deeltjes kunnen produceren. Zo moet het mogelijk worden om uit te zoeken hoe dat deeltje zich gedraagt en of dat overeenkomt met de theorie van het standaardmodel.

“Dat deeltje was dan wel een sluitstuk van het standaardmodel, maar de vele open vragen tonen aan dat we dat model wellicht moeten uitbreiden”, zegt D’Hondt. “En misschien biedt het H-deeltje een aanwijzing. In onze experimenten gaan we na hoe het H-deeltje interageert met een resem andere deeltjes, waaronder de ‘charm quark’. Want we kennen wel al wat kenmerken van het H-deeltje, maar er zijn nog blinde vlekken. Iedere eigenschap of actie van dit deeltje die niet overeenkomt met de theorie kan een aanwijzing zijn voor nieuwe elementen in ons begrip van de werkelijkheid.”

In de mediaberichten over de nieuwe etappe voor de deeltjesversneller gaat het ook vaak over ‘de vijfde natuurkracht’ die het CERN zou gaan ontdekken. Dat klinkt Star Wars-achtig, maar onwetenschappelijk is het niet. “Al zou ik het eerder hebben over ‘een’ en niet ‘de’ vijfde natuurkracht”, zegt D’Hondt. “Ons universum bestaat onder andere uit de elementaire deeltjes die wel al kennen en de vier natuurkrachten die de interacties tussen die deeltjes bepalen (zwaartekracht, elektromagnetisme en de zwakke en sterke kernkracht, BDB). Wanneer we nu met de Large Hadron Collider meer en meer botsingen tussen deeltjes realiseren, kunnen we nieuwe deeltjes ontdekken maar ook nieuwe eigenschappen van deeltjes of nieuwe manieren waarop ze onderling reageren, of een combinatie van beide. Zo’n nieuwe interactie zou een vijfde natuurkracht kunnen zijn. Vragen wat die concreet zou inhouden is als in een glazen bol kijken.”

Nog een heilige graal waarvan velen hopen dat ze de komende jaren onder de grond bij Genève wordt ontdekt is de raadselachtige donkere materie, die het gros van het universum uitmaakt maar die wij niet kunnen zien. “De meesten geloven dat we die donkere materie kunnen vinden via een nog onbekend deeltje”, zegt D’Hondt. “Maar de laatste tien jaar zijn we via theoretische berekeningen gaan inzien dat zo’n deeltje erg groot en zwaar of net erg klein en licht kan zijn. Het kan ook dat het pas ontstaat op enige afstand van het botsingspunt tussen protonen in de deeltjesversneller. Dat maakt de zoektocht niet evident.”

Dat geldt evenzeer voor de vraag waar al de ‘antimaterie’ naartoe is. In essentie weten zelfs natuurkundigen niet waarom wij bestaan. Volgens de theorie bestond het universum net na de oerknal uit evenveel materie als ‘antimaterie’, die bestaat uit deeltjes met een tegengestelde elektrische lading. Voeg je beide samen, dan heffen ze elkaar op. Dat zou leiden tot een universum zonder materie.

Maar onze wereld zit overduidelijk net tjokvol materie en het is de antimaterie die zeldzaam is. “We kennen antimaterie wel en gebruiken die deeltjes in medische scans, maar er is dus veel minder van”, zegt D’Hondt. “We willen begrijpen wat er is gebeurd waardoor de symmetrie tussen materie en antimaterie is verdwenen en het mogelijk werd dat de wereld eruitziet zoals we die kennen. En met de verbeterde Large Hadron Collider kunnen we nauwkeurig testen hoe materie verschilt van antimaterie en hoe ons universum is ontstaan.”

Onlangs gaf D’Hondt ook de ‘motiverende speech’ in het CERN voor het team ALICE. Dat experiment gaat met de 10.000 ton wegende detector ALICE na hoe het kan dat de deeltjes ‘quarks’ en ‘gluonen’ bij de geboorte van het universum overal te vinden waren in een soort plasma maar nu alleen nog vastzitten in de kern van atomen. “Ook een verklaring voor die overgang kan ons op weg zetten om de realiteit van vandaag te begrijpen”, zegt D’Hondt. “In de mythische zaal waar ik deze collega’s toesprak en waar zoveel belangrijke aankondigingen zijn gedaan, was het enthousiasme dan ook erg tastbaar.”

Het team ALICE is een van de ploegen die in het verleden speuren. Door deeltjes te doen botsen ontstaat opnieuw de toestand van heel dichte energie die net voor de oerknal moet hebben bestaan. Zo herscheppen de onderzoekers de dense ‘vuurbal’ van het jonge universum. Omdat de Large Hadron Collider veel meer botsingen mogelijk maakt, zullen de onderzoekers dan ook beter dan ooit zicht krijgen op hoe het er tussen de deeltjes aan toeging in het piepjonge universum 

Maar hoewel het allemaal spectaculair klinkt, is er ook scepsis. Sommige wetenschappers vinden dat de deeltjesversneller nu al meer inzichten had moeten opleveren en wijzen erop dat hun collega’s aan het CERN niet goed weten waar ze moeten zoeken naar nieuwe puzzelstukken.

“Dat klopt tot op zekere hoogte, maar dat zie ik zeker niet als een reden om op te geven”, reageert D’Hondt. “Wij proberen met onze experimenten aan te tonen dat de bekende theorie klopt, maar we gaan ook op zoek naar wat nog niet bekend is. En we weten niet op voorhand waar de vensters te vinden zijn die ons zicht geven op een nog ontbrekend spoor. Maar Columbus wist toen hij koers zette naar China ook niet dat hij Amerika zou vinden. Als je onbekend terrein wil ontdekken, moet je je concentreren op waar je denkt iets te gaan vinden maar moet je ook blind durven varen en heel veel dingen proberen.”

Daarom is D’Hondt het ook niet eens met het idee dat als de Large Hadron Collider de komende jaren geen opmerkelijke vondsten doet, er geen toekomst meer is voor dit soort experimenten. “Als we iets vinden, bijvoorbeeld een nieuwe natuurkracht of een nieuw deeltje, moeten we experimenten gaan bedenken die dat pad inslaan. Maar als we niets vinden, is dat net een reden om verder te gaan. Want de sleutel naar de missende puzzelstukken kan op zoveel verschillende plaatsen liggen en zoveel verschillende vormen aannemen. We moeten zoveel mogelijk vensters openzetten. En dat betekent de LHC, waar dat technologisch mogelijk is, nog krachtiger maken.”

Misschien is het ook een reden om door te zetten met de nog veel ambitieuzere Future Circular Collider, die een tunnel van honderd kilometer zou omvatten en helemaal onder het meer van Genève zou liggen. Prijskaartje: minstens 23 miljard euro. “Het is een enorm project dat tot het einde van de eeuw zou meegaan”, zegt D’Hondt. “Het is zoals besluiten dat je grotere schepen bouwt zodat je vanuit oude continenten niet tot slechts aan Madeira maar misschien tot aan een nieuwe wereld raakt, ook al ken je die nog niet.”

De komende jaren zullen deeltjesfysici regeringen dan ook proberen te overtuigen om die grote broer van de Large Hadron Collider in stelling te brengen. Maar of dat zal lukken is zeer de vraag. Wanneer de LHC de komende drie jaar niet met iets opzienbarends komt, achten insiders de kans klein dat beleidsmakers nog veel meer centen op tafel zullen willen leggen voor een ‘blinde’ zoektocht naar wat er achter het gordijn zit en hoe de wereld dus echt in elkaar steekt.