Zal de grootste deeltjesversneller ter wereld de aarde vernietigen?

Snelle deeltjes, big bang

Honderd meter onder Genève wordt de laatste hand gelegd aan een gigantische, peperdure constructie. De Large Hadron Collider moet deze maand af zijn en is meteen de grootste deeltjesversneller ter wereld. Als de wereld het overleeft. Wetenschappers sluiten immers niet uit dat de LHC draken creëert die ons allemaal zullen verslinden.

Door Kris Jacobs

GENEVE l De gigantische constructie moet het mogelijk maken nooit geziene experimenten uit te voeren. Hoe zag het universum er bijvoorbeeld uit een triljoenste seconde na de oerknal? Twee mannen vrezen dat daarmee ook het einde van de Aarde ingeluid wordt en eisen via de rechter om de proefnemingen uit te stellen.

Een deeltjesversneller is een machine die elementaire deeltjes tot hoge energieniveaus brengt, door ze dusdanig te versnellen dat ze haast gelijke tred met het licht houden. Om de kleinste bouwstenen van materie en antimaterie te bestuderen worden zeer grote versnellers gebruikt. De bekendste daarvan zijn de magnetische exemplaren, die de deeltjes in een cirkelvormige baan dwingen door een sterk magnetisch veld. De synchrotrons, met diameters van meerdere kilometers, kunnen daarbij zeer hoge energieniveaus ontwikkelen.

Het superbeest onder de synchrotrons wordt binnenkort opgestart in een tunnel bij Genève in het CERN, het Europees Centrum voor Nucleair Onderzoek. De onderaardse lus heeft een diameter van 27 kilometer en ligt op 50 tot 175 meter onder de bodem, vlak op de grens met Frankrijk, die ze trouwens vier keer overschrijdt. Het instituut is trouwens een heuse wetenschapsstad, met eigen restaurants, hotel, bank en wat dies meer zij. Wagens hebben er zelfs hun eigen nummerplaten, omdat het een internationaal instituut is dat onder de Franse noch de Zwitserse overheid valt.

Vroeger lag in die onderaardse gang al een deeltjesversneller, de LEP, maar deze Large Hadron Collider is nog veel krachtiger. "Ik heb ooit de vergelijking gehoord dat de protonenbundel in de LHC de energie heeft van een tgv, zeer veel dus voor zo'n minuscuul object", zegt fysicus Pierre Van Mechelen van de Universiteit Antwerpen. "Als die protonenbundel verkeerd terechtkomt, komt dus ook de energie vrij van een tgv die tegen een muur knalt." Als de LHC in werking is, verbruikt hij zo'n 120 megawatt en bevat de protonenbundel 725 MJ aan energie. Dat mag u vergelijken met zo'n tweeënhalve ton TNT.

Om dat alles in bedwang te houden bevat het gevaarte 1.600 supergeleidende magneten, die gekoeld worden door vloeibaar helium. Voordat de LHC opgestart kan worden, moet zo'n 38.000 ton apparatuur teruggebracht worden tot een temperatuur van min 271 graden Celsius (dicht in de buurt van het absolute nulpunt), zodat de elektromagneten supergeleidend worden.

Als de versneller eenmaal op toeren is, legt een proton zijn rondje af in zo'n 90 microseconden. De subatomaire deeltjes worden nog eens samengebald in 2.800 groepjes, waarvan er als de versneller eenmaal op volle kracht draait er elke 25 nanoseconden eentje langskomt.

"Je kunt daarbij protonen met zo'n snelheid en zo'n energie tegen elkaar doen botsen dat heel, heel even temperatuur en dichtheid gigantisch hoge waarden bereiken, zo hoog als het heelal een triljoenste van een seconde na de oerknal", aldus Van Mechelen. "Daarbij verwacht men ook dat deeltjes van protonen zich in een nieuwe toestand zullen bevinden, het quarkgluonplasma, waarin hun onderdelen zich vrij door elkaar kunnen bewegen."

Belgische trots

Aan het hele project is veertien jaar gewerkt en het zou zo'n 8 miljard dollar kosten. Eenmaal in werking zullen zo'n zevenduizend wetenschappers uit tachtig landen er toegang toe hebben. Bij de bouw van de LHC zelf zijn tweeduizend natuurkundigen uit 34 landen betrokken en honderden universiteiten en labo- ratoria.

Een klein beetje nationale trots is hier op zijn plek, want België doet ook mee. Onderzoeksgroepen van de VUB, de UA en de UGent werken in Genève mee aan een reusachtige experimentele opstelling. Van Mechelen leidt bijvoorbeeld samen met de professoren De Wolf en Van Remortel in Antwerpen een groep van zo'n twintig onderzoekers. "Aan de LHC zijn in totaal zes experimenten verbonden. Alle Belgische onderzoeksgroepen zijn betrokken bij een van de twee grote, het CMS-experiment, het Compact Muon Solenoid", zegt hij. Dat experiment heeft zijn eigen detector, en die is iets gecompliceerder dan uw koortsthermometer voor dagelijks gebruik. De cylindrische detector heeft een doorsnede van 16 meter, is 21 meter lang en weegt zo'n 12.500 ton.

"Aan de bouw daarvan werken zo'n 2.500 fysici mee, een enorme internationale samenwerking", aldus Van Mechelen. "Je hebt zoveel volk nodig omdat het geweldig complex is. Research and development bekijkt eerst welk soort detectoren je best gebruikt. Tegelijk bepalen specialisten in fysica-analyse wat je er nu precies mee wilt meten. Andere mensen zijn dan weer gespecialiseerd in computing. Onze experimenten zullen immers gigantische hoeveelheden gegevens genereren. Daarvoor vinden we constant nieuwe dingen uit."

Dat het internet uit de schoot van het Amerikaanse leger gegroeid is, is genoegzaam bekend. "Maar het World Wide Web, de http die je voor webpagina's ziet staan, komt van het CERN. Ten tijde van de LEP-versneller had men hier immers nood aan een middel om de toen honderden medewerkers onderling te laten communiceren. Nu zitten we opnieuw op een punt dat we een nieuw middel nodig hebben, deze keer om de gigantische gegevensstroom te verwerken." Daarom is het LHC-project ook een drijvende kracht achter grid computing. Van Mechelen: "Dat is een netwerk waarbij de rekenkracht niet meer op je desktop staat of in de kamer ernaast, ze kan van overal ter wereld komen. Als je een bepaalde toepassing wilt laten draaien, stuur je die naar het grid, dat zelfstandig beslist waar op dat moment de meeste rekencapaciteit voorhanden is."

Speld in miljoen hooibergen

Het experiment waarbij de Belgen betrokken zijn, is multi purpose zoals dat heet: het heeft verschillende doelen. Een daarvan is de speurtocht naar het 'Higgs-boson', een elementair deeltje waarvan men het bestaan hoopt te bewijzen. En dat ook een beetje een Belgisch tintje heeft. "Eigenlijk zou het correcter zijn om van het Brout-Englert-Higgsdeeltje te spreken", meent Van Mechelen. "Er zijn namelijk drie fysici die het al in de jaren zestig gepostuleerd hebben: Peter Higgs én twee Belgen, Robert Brout en François Englert, die vroeger voor de ULB werkten."

Vaak wordt die zoektocht naar voren geschoven als een van de belangrijkste objectieven voor de mastodont in de Geneefse ondergrond. "Het Higgsboson is eigenlijk het sluitstuk van een theorie die de wisselwerking tussen elementaire deeltjes beschrijft, het zogenaamde standaardmodel", legt de Antwerpse vorser uit. "Je kunt met die theorie, een van de nauwkeurigste die we hebben, zeer veel zaken verklaren, maar het probleem is dat ze eigenlijk voorspelt dat alle deeltjes zonder massa zijn. Onze dagelijkse ervaring leert natuurlijk dat dat niet kan kloppen. Met het Higgsmechanisme zou je in die theorie wel massa's kunnen berekenen, maar het impliceert het bestaan van een deeltje dat nog niet ontdekt is: het Higgsboson."

Wel zijn daar al empirische aanwijzingen voor. Van Mechelen: "Met de vorige versneller in Genève, de LEP, heeft men op het einde (de LEP werd gebruikt tot het jaar 2000, KJ) al een aantal gebeurtenissen waargenomen die op het bestaan van het Higgsdeeltje kúnnen wijzen. Die gebeurtenissen kunnen namelijk ook geproduceerd worden door andere processen. Als je die verschijnselen zou zien in pakweg 30 procent van je proefnemingen, weet men dat ze aan die andere processen te wijten zijn. Als je aan 35 procent geraakt, zijn die extra 5 procent vermoedelijk te wijten aan het Higgsboson. In werkelijkheid is de fractie aan gebeurtenissen met een Higgssignatuur uitermate klein: minder dan een miljoenste van een miljoenste. Eigenlijk is het als zoeken naar een speld in een miljoen hooibergen."

De hoop bestaat dat de LHC die extra procenten in voldoende mate kan produceren dat je ondubbelzinnig kunt stellen dat het Higgsdeeltje bestaat. "Sinds Einstein weten we dat massa in energie omgezet kan worden, dat doen we dagelijks ook in kerncentrales", aldus Van Mechelen. "Met de LHC willen we het omgekeerde doen: energie in massa omzetten. Dat Higgsdeeltje is vrij zwaar, dus je hebt er een krachtige versneller - veel energie - voor nodig. De LEP-versneller was daar nog niet sterk genoeg voor. Het kon wel eens gebeuren dat je zo'n zwaar deeltje verkreeg, maar de waarschijnlijkheid was eerder laag. En je moet een gebeurtenis voldoende vaak kunnen reproduceren om de statistische onzekerheid van je bevinding te verlagen. De verwachting is dat we dat vaak genoeg kunnen doen met de LHC.

"In Chicago zoekt men momenteel ook naar het Higgsboson, maar hun versneller, de Tevatron, is minder krachtig. Als ze voldoende lang en ijverig doorwerken, kunnen ze het misschien ook ontdekken. We hebben in elk geval nog altijd kans om dat deeltje als eerste vast te leggen."

Naast de Higgsqueeste zoeken ze ook naar bewijzen voor supersymmetrie. "Nog zo'n theorie die een aantal fundamentele problemen van de fysica kan oplossen. Supersymmetrie voorspelt het bestaan van een tot nu toe onbekende 'superpartner' voor elk gekend deeltje. Het lijkt misschien bizar, al die deeltjes die zouden bestaan, ook al hebben we ze nooit gezien, maar dat is in het verleden nog gebeurd. In de jaren dertig is het bestaan van antimaterie theoretisch voorspeld, en later is die ook ontdekt. Toen kon niemand voorspellen waar dat ooit voor gebruikt zou worden, maar ziekenhuizen hanteren tegenwoordig positronen - en dat is antimaterie - voor PET-scans. Of het Higgsdeeltje ooit een nuttige toepassing krijgt, kan niemand nu zeggen, maar over honderd jaar is ze er misschien wel."

Energie in andere dimensies

Het kan trouwens nog exotischer. "We zoeken ook naar nieuwe dimensies, buiten de drie ruimtelijke dimensies en de tijd. Het bestaan daarvan zou kunnen verklaren waarom de zwaartekracht zo zwak is in vergelijking met de andere krachten in de natuur. Dat is op zich al een vreemde vaststelling omdat we in de praktijk alleen die zwaartekracht voelen. Dat komt omdat de zwakke en de sterke kernkracht alleen actief zijn binnen de atoomkern. De vierde natuurkracht, het elektromagnetisme, werkt wel buiten die kern, maar in het algemeen zijn de objecten rond ons elektrisch neutraal, dus daar merk je ook weinig van.

"Nu, een van de mogelijke verklaringen waarom de zwaartekracht zwakker is, is dat ze de enige is die in meerdere dimensies werkt. Anders gesteld: de gravitatie die wij voelen, is maar een projectie, een deel van de totale zwaartekracht, omdat we maar in drie dimensies leven. Hoe bewijs je zoiets? Net als met andere krachten is met de gravitatie een deeltje geassocieerd dat die overbrengt. Als dat graviton, ook weer een hypothetisch deeltje, zich ook kan bewegen in andere dimensies, moet het kunnen verdwijnen. Als dat gebeurt, zal de energiebalans niet meer kloppen - normaal gezien moet je evenveel energie meten als je erin stopt. Via die 'ontbrekende energie' kun je bepaalde dingen aantonen."

De aarde opgeslokt

Officieel wordt de Large Hadron Collider op 21 oktober ingehuldigd. "Binnenkort beginnen we proef te draaien", aldus Van Mechelen. "In mei, juni plannen we de eerste pogingen om protonen te laten rondcirkelen in de versneller. In de zomer moeten dat er steeds meer worden, met steeds meer energie. Tegen het najaar moet de LHC dan op volle kracht draaien."

Als een rechter in Hawaii geen roet in het eten gooit. Twee weken geleden hebben Walter L. Wagner en Luis Sancho op de eilandengroep gevraagd om de Europese plannen stil te leggen tot afdoende bewezen is dat de versneller geen zwart gat zal produceren dat de hele aarde opslokt, en misschien zelfs het heelal. Eerder had Wagner ook al gelijkaardige klachten ingediend tegen de Relativistic Heavy Ion Collider in de staat New York. Die klachten werden verworpen in 2001. De bewuste versneller draait zonder problemen sinds 2000.

Een rechter in de Stille Zuidzee zal sowieso moeilijk een dwangbevel kunnen uitvaardigen tegen een hoogtechnologisch instituut in de Zwitserse Alpen, maar Van Mechelen is ook gerust in de goede afloop van de experimenten. "Theoretisch zou de LHC inderdaad mini-zwarte gaten kunnen produceren, maar er is een heel eenvoudig argument om aan te tonen dat onze proeven geen kwaad kunnen. De aarde wordt immers constant bestookt met kosmische stralen. De deeltjes, met een nog veel hogere energie dan wat de LHC produceert, botsen elke dag ettelijke malen met de atomen en moleculen in onze atmosfeer. Dus als er zwarte gaten zouden ontstaan, dan gebeurt dat daar al. We doen niets wat in natuurlijke omstandigheden niet al miljoenen jaren gebeurt. De argumentatie die de klagers tegenwerpen, is dat onze zwarte gaten stilstaan, terwijl die door kosmische stralen zo snel bewegen dat ze binnen de kortste keren van de aarde weg zijn. CERN heeft trouwens over die kwestie een onderzoekscommissie ingesteld, die concludeerde dat er geen gevaar bestaat. Theoretici hebben berekend dat zélfs in dat worst case scenario het nog minstens een miljard jaar zou duren eer het sowieso al macroscopisch waar te nemen is."

Dat is ook wat deeltjestheoreticus Nima Arkani-Hamed van het Institute for Advanced Study in Princeton zegt. Ja, zegt hij, quantumfysica lijkt een beetje op met de dobbelstenen gooien, dus de kans dat om het even wat gebeurt, bestaat altijd. "Maar het kan evengoed dat de Large Hadron Collider vuurspuwende draken creëert die ons allen verslinden." "Die kans is ongeveer even groot als drie weken achter elkaar de hoofdvogel afschieten in de loterij", zegt Frank Close, fysicaprof in Oxford. "Het probleem is alleen dat mensen geloven dat ze drie weken na elkaar de lotto kunnen winnen."

Mocht u toevallig in de buurt zijn, het CERN opent zondag zijn deuren voor het publiek. Alle info: www.cern.ch.

Fysicus Pierre Van Mechelen, Universiteit Antwerpen:

Er is een eenvoudig argument om aan te tonen dat de proeven in de deeltjesversneller geen kwaad kunnen. We doen niets wat in natuurlijke omstandigheden niet al miljoenen jaren gebeurt

n Tweeduizend wetenschappers uit 34 landen zijn betrokken bij het ontwerp en de bouw van de Large Hadron Collider, een tientallen kilometers lange deeltjesversneller in de ondergrond van Genève. Aan het hele project is veertien jaar gewerkt en het zal zo'n 8 miljard dollar kosten.

n De 12.500 ton zware 'Compact Muon Solenoid'-detector vormt een onderdeel van de Large Hadron Collider, de nieuwe Europese deeltjesversneller. Belgische onderzoeksgroepen nemen deel aan experimenten met de CMS-detector.

Er is een eenvoudig argument om aan te tonen dat de proeven in de deeltjesversneller geen kwaad kunnen. We doen niets dat in natuurlijke omstandigheden niet al miljoenen jaren gebeurt