De Large Hadron Collider (LHC), de grootste deeltjesversneller in de wereld, draait na een drie jaar durende upgrade sinds dinsdag weer op volle kracht. Wetenschappers hopen dat de LHC hen in de komende jaren nieuwe inzichten zal verschaffen over de grootste onopgeloste vragen in de fysica. “Er zijn nog heel wat vraagstukken”, zegt Freya Blekman, deeltjesfysicus bij DESY, het Duits nationaal laboratorium deeltjesfysica en gastprofessor fysica bij de VUB.

Na een pauze van drie jaar, waarin de LHC de nodige upgrades kreeg, werd deze in april terug opgestart. Sinds dinsdag draait de kolossale deeltjesversneller in de buurt van het Zwitserse Genève zelfs terug op volle kracht. De LHC zal in de komende vier jaar aan ongeziene energieniveaus – tot 14 miljard tera-elektronvolt (TeV) – deeltjes met elkaar laten botsen. Dat liet CERN, de Europese organisatie die onderzoek doet naar elementaire deeltjes, maandag weten in een persbericht. “Een nieuw seizoen van natuurkunde begint nu”, zegt de organisatie.

Volgens Blekman gaat de LHC daardoor in de komende vier jaar evenveel data kunnen verzamelen als in de voorbije twaalf. “Dit betekent dat we de deeltjes die we al kennen veel beter kunnen bestuderen, want we hebben al veel data. Daarnaast kunnen we ook makkelijker op zoek naar nieuwe, onontdekte deeltjes”, zegt de fysicus aan de redactie van Business AM.

“Elke botsing levert een verschillende combinatie van deeltjes op”

Om die ontdekkingen te doen, zullen telkens twee protonenbundels, positief geladen deeltjes die zich in atoomkernen bevinden, tot aan bijna de lichtsnelheid in tegenovergestelde richting van elkaar worden versneld doorheen de 27 kilometer lange ring van de LHC. Wanneer die deeltjes tegen elkaar knallen, worden allerlei fundamentele deeltjes gemaakt.

Bij die botsingen worden ook allerlei fundamentele partikeltjes (zoals het Higgsboson) voor zeer korte tijd gevormd. Door die partikels (meerbepaald de energiehandtekening die zij achterlaten) te bestuderen, kunnen wetenschappers achterhalen of de huidige theorieën over het universum kloppen. “Elke botsing is uniek en levert een verschillende combinatie van deeltjes op. Sommige komen heel vaak voor, andere, zoals het Higgsdeeltje, zijn zeldzamer”, zegt Blekman.

Het bestaan van dat elementaire partikel, dat naar de Britse natuurkundige Peter Higgs werd vernoemd, is van cruciaal belang om aan te tonen dat het zogenaamde standaardmodel van de deeltjesfysica klopt. Dat model probeert de fundamentele fysica van het universum te verklaren, hoewel het nog niet compleet is.

Standaardmodel is compleet… of toch niet?

Het standaardmodel is in feite een soort raamwerk dat twee fundamentele zaken van het functioneren van het universum uitlegt. 

De theorie beschrijft eerst wat de fundamentele deeltjes zijn die materie tot stand doen komen. Denk daarbij aan elektronen en up en down-quarks (de deeltjes die zowel protonen als neutronen vormen), maar ook de zwaardere neven daarvan zoals de muon, de tau en de daarbij horende zwaardere iteraties van quarks.

Daarnaast beschrijft het ook hoe die deeltjes met elkaar in interactie treden. Dat gebeurt door middel van de zogenaamde bosonen, een soort ‘boodschapperdeeltjes’ die de elementaire krachten van de natuur overdragen. Denk daarbij bijvoorbeeld aan het foton, de drager van de elektromagnetische kracht, of het intussen bekende Higgsdeeltje. Dat laatste zou andere elementaire deeltjes op indirecte wijze voorzien van massa.

Er zijn echter nog zaken die door het standaardmodel niet verklaard kunnen worden, zoals bijvoorbeeld de zwaartekracht, zegt Blekman. Hoewel wetenschappers al langer theoretiseren dat ook daar een corresponderend deeltje bij zou kunnen horen, het graviton, is daar tot nu toe nog geen bewijs voor.

“We zoeken ook naar antwoorden op andere vragen. Er zijn bijvoorbeeld voorspellingen over gravitons, maar die zouden sowieso heel zeldzaam zijn. Een ander ding dat we nog niet kunnen verklaren, is waarom iets een bepaalde massa heeft”, zegt de fysicus. Toch is er vooruitgang: Blekman meent dat de ontdekking van het Higgsdeeltje al veel heeft losgemaakt. “Nu vragen we niet meer waarom deeltjes massa hebben, maar waarom dat Brout-Englert-Higgsmechanisme die deeltjes massa geeft en waarom die massa voor elk deeltje verschilt.”

Op weg naar nieuwe ontdekkingen

Hoewel er nog veel werk aan de winkel is, hopen wetenschappers met de geüpgradede LHC nieuwe ontdekkingen te doen. Eerst en vooral willen zij meer te weten te komen over het Higgsdeeltje. Hoewel het bestaan ervan een enorme ontdekking was, zegt Blekman dat er nog veel over te leren valt. “Er zijn nog heel veel vraagstukken, maar dat is goed want we zijn met heel veel.”

Maar het Higgsdeeltje is lang niet het enige vraagstuk dat de onderzoekers willen oplossen. Een van de experimenten die in de komende jaren met de LHC zullen worden uitgevoerd, zal bijvoorbeeld nagaan hoe materie eruit zag toen het universum nog maar 10 microseconden oud was. 

Met een ander experiment willen de wetenschappers meer te weten komen over de aard van kosmische straling. Dat zijn atoomkernen en protonen die zich doorheen het universum voortbewegen aan bijna de lichtsnelheid. Kosmische straling vormt een groot risico voor astronauten: het zou een resem aan gezondheidsproblemen veroorzaken voor mensen die langdurig worden blootgesteld, waaronder kanker, stralingsziekte en degeneratieve ziekten.

Een roadmap naar kennis over donkere materie

Na de huidige cyclus zal de LHC daarna nog een upgrade ondergaan. Vanaf 2029 moet de zogenaamde ‘High-Luminosity LHC’ dan verdere experimenten gaan uitvoeren, waarbij wordt gehoopt dat tot tien keer zo veel detecteerbare reacties zullen plaatsvinden. 

Verder in de toekomst zou een potentiële opvolger van de LHC, de Future Circular Collider (FCC), mogelijk botsingen kunnen uitvoeren bij maar liefst 100 TeV. Daarmee hopen fysici een nog dieper inzicht te krijgen in de werking van het universum.

Een van de belangrijkste zaken die CERN hoopt op te klaren met de LHC en eventuele toekomstige deeltjesversnellers, is het bestaan van donkere materie. Dat is een hypothetische vorm van materie die niet te detecteren valt en niet interageert met ‘gewone’ materie of elektromagnetische straling zoals licht, maar wel via zwaartekracht andere deeltjes aantrekt.

Toch zijn wetenschappers ervan overtuigd dat het bestaat: zonder donkere materie zouden galaxieën immers niet genoeg zwaartekracht bezitten om te kunnen vormen. “Als je kijkt naar het heelal, bestaat maar vijf procent uit deeltjes zoals wij die kennen. De rest bestaat uit donkere materie en donkere energie“, zegt Blekman.

“Het goede aan zo’n deeltjesversneller is dat die op willekeurige wijze donkere materie zou kunnen produceren. Dat is wel enorm zeldzaam.” Op de vraag hoe wetenschappers zouden kunnen weten dat het in dergelijke gevallen om donkere materie gaat, aangezien het niet interageert met normale materie, antwoordt Blekman: “In principe doen we dat zoals ouders die kijken of een kindje in de koekjestrommel heeft gezeten. We kijken gewoon naar botsingen waar opeens minder energie uitkomt dan we erin hadden gestoken.”

(jvdh)