Wetenschapscafé 15 februari 2012

Stand van zaken bij de deeltjesversneller LHC. Reflectie op onderzoeken naar bestaan Higgs-deeltje.

Nick Van Remortel (UA; CERN, Genève)

“De goeden komen terug” zei Walter Simons in zijn inleiding, daarmee doelend op zowel het publiek als de sprekers. Wat deze laatste betreft, gold dat beslist voor Nick Van Remortel, die in 2008 de tweede gastspreker was van het pas opgerichte Wetenschapscafé en thans, op deze woensdag, opnieuw kwam praten over de stand van zaken met de CERN-experimenten van de Large Hadron Collider, die in september 2008 voor het eerst in gebruik is genomen.

De jonge UA-prof elementaire deeltjesfysica begon met een duidelijke voorstelling van de fundamentele bouwstenen van de materie. In feite bestaat materie maar uit twee soorten deeltjes: quarks en leptonen. Leptonen (elektron, muon en tauon, de bijhorende neutrino’s en hun antipartners) zijn deeltjes die met elkaar in wisselwerking treden via elektromagnetisme en de zwakke kernkracht, maar niet meedoen met sterke interactie. Quarks, die de bestanddelen zijn van neutronen en protonen, participeren in alle krachten, ook de sterke wisselwerking binnen atoomkernen. Dat lijkt simpel, maar sommige dingen in het standaardmodel zijn nog niet verklaard en om de missende kennis te vergaren zijn experimenten nodig

Het sleutelprincipe is dat alle krachten door velden beschreven worden. De principes achter de al sinds midden-19de eeuw bekende elektromagnetische kracht zijn zo krachtig en de resultaten zo nauwkeurig, dat ze als leidraad blijven fungeren voor de beschrijving van de andere krachten. Quarks (en hun antideeltjes: antiquarks) interageren met elkaar via de sterke kernkracht of sterke wisselwerking. De spreker legde uit dat quarks en elektronen ook op elkaar krachten uitoefenen via het uitwisselen van “krachtdeeltjes”. Voor elektronen zijn dat de fotonen, lichtdeeltjes dus. Alle vier de krachten van de natuur worden op deze manier overgebracht: voor de zwakke kracht (die radioactiviteit veroorzaakt) zijn het W-bosonen, voor de sterke kracht (die de kerndeeltjes bindt) gluonen, voor de zwaartekracht gravitonen.

Maar het “Higgsdeeltje” ligt op ieders lippen… waarom die zoektocht naar het Higgsdeeltje en wat is zo’n Higgsdeeltje of Higgsboson?
Eén van de belangrijkste vragen is hoe de bouwstenen van de materie aan hun massa komen. We bezitten immers een mooie theorie voor massaloze krachtdeeltjes waarin de zgn. ijkvrijheid ons de mogelijkheid geeft om storende oneindigheden weg te werken, maar we kunnen geen theorie maken van de zwakke wisselwerking met een krachtdeeltje met massa, terwijl we die massa nodig hebben om te verklaren waarom de zwakke wisselwerking alleen op heel korte afstanden werkt. De vraag was dus: hoe kunnen we een fotonachtig deeltje massa geven zonder direct een massaterm in te voeren die het wegwerken van de oneindigheden verprutst? Het antwoord daarop kan geleverd worden door het mysterieuze Higgsdeeltje of Higgsboson, het kwantum van het zogenaamde Higgsveld, dat de hele lege ruimte van het universum vult, alle elementaire deeltjes massa geeft en ervoor zorgt dat niet alles met de lichtsnelheid uit elkaar vliegt. Maar het bestaan van dit Higgsboson moet nog bevestigd worden!
Deeltjes hebben ook een spin, een begrip dat uit kwantummechanica en relativiteitstheorie komt en wordt voorgesteld als een soort moment van een deeltje dat zoals een tol om zijn as draait. Maar het Higgsdeeltje is het enige deeltje dat geen spin heeft en dat maakt het al heel speciaal!

Bij het samenvoegen (de unificatie) van relativiteitstheorie en kwantummechanica blijkt het niet mogelijk om een foton (het lichtdeeltje, met spin 1) op dezelfde manier te beschrijven als een elektron of een quark (deeltjes met spin ½). Het foton heeft geen massa en trekt zich niets aan van het Higgsveld.

Om deze en nog enkele andere vragen van de moderne fysica op te klaren moeten we naar het CERN in Genève, waar 8000 wetenschappers uit 85 landen werken aan de grootste deeltjes-versneller ter wereld, de Large Hadron Collider, die meer dan 6 miljard euro heeft gekost. De LHC is geïnstalleerd in een 4 m brede, ringvormige tunnel van 27 km die 50 tot 175 m onder de begane grond loopt. Daarin worden sinds maart 2009 in een luchtledige buis twee in tegengestelde richting lopende bundels protonen opgezwiept tot een fabelachtige energie en met bijna-lichtsnelheid met elkaar in botsing gebracht. De versterking gebeurt door zo’n 1600 di-poolmagneten die, ten einde een uiterst sterk magneetveld te produceren zonder weerstandsverhitting, moeten werken met supergeleidende elektrische stromen. Dit impliceert op zijn beurt een enorme cryogenische installatie die een gigantische hoeveelheid helium nodig heeft.

Een andere enorme uitdaging is de zoektocht naar het wezen van de donkere materie en vooral de donkere energie van het universum en naar het antwoord op de vraag waarom er meer materie is dan antimaterie. Ten slotte zouden de experimenten met de LHC een licht kunnen werpen op het bestaan van andere dimensies in de ruimte.

Om het spectaculaire van de hele onderneming te illustreren, schetste Nick Van Remortel de storing die zich in het begin voordeed, waarbij door een slechte elektrische verbinding een van de heliumleidingen doorboord werd. De plots ontsnappende duizenden liters vloeibaar helium, die bliksemsnel tot gas expandeerden, maakten ettelijke naburige magneten onklaar! Herstelling, opnieuw vullen en langzaam weer afkoelen namen een jaar in beslag!

Nick Van Remortel, die dikwijls in Genève vertoeft en daar de experimenten van dichtbij volgt, verstaat de kunst om deze toch wel moeilijke materie op een bevattelijke manier aan de man te brengen. De hele structuur van het standaardmodel zit erg wiskundig in elkaar en er zinnige dingen over zeggen zonder de toehoorder met deze wiskunde volledig het bos in te sturen, is een hele uitdaging. Hij kreeg na zijn voordracht nog een massa vragen te beantwoorden en dat gebeurde, zoals het een Wetenschapscafé betaamt, tussen pot en pint.