Ontwerpen voor nieuwe versneller langs eenzelfde meetlat van Higgs

10-05-2019

De honderden deelnemers aan de grote CERN-conferentie over de toekomst van de Europese deeltjesfysica in Granada volgende week, hebben voor het eerst een document in handen waarmee de bijna tien voorstellen voor een nieuwe grotere versneller echt vergeleken kunnen worden. ‘In plaats van appels en peren kunnen nu appels met appels worden vergeleken’, zegt fysicus prof. Wouter Verkerke van Nikhef.

Verkerke is groepsleider van het ATLAS-programma van Nikhef en was lid van de technisch commissie die alle voorstellen langs dezelfde meetlat heeft gelegd. Daarbij lag in die commissie de nadruk op het bestuderen van het Higgs-deeltje. De studies maken deel uit van de discussies over een nieuwe Europese strategie voor de deeltjesfysica. Die ESPP-strategie moet in de eerste helft van 2020 worden geformuleerd, en krijgt ondermeer in Granada, Spanje, haar eerste contouren. Ondermeer Nikhef-directeur prof. Stan Bentvelsen is lid van de strategiegroep.

Intensere versneller

Op dit moment is de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Genève de grootste versneller ter wereld. De cirkelvormige ondergrondse protonprotonbotser van 27 kilometer omtrek leverde de ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012, en wordt vanaf 2020 nog intenser gemaakt voor nader onderzoek en pogingen om nieuwe verschijnselen te vinden. Het Higgs-deeltje bevestigde de theorie van Peter Higgs en anderen over het bestaan van deeltjes met massa.

De intensere HL-LHC-machine is volgens de prognoses tot ongeveer 2035 in gebruik. Vraag is wat er daarna het meest effectief is voor het Europese deeltjesonderzoek. In eerste instantie draait het daarbij om de grootst mogelijke wetenschappelijke opbrengst. Hoe haalbaar dat politiek en financieel is, is later aan de orde.  Een  nieuwe  versneller  kan  gemakkelijk tot in de jaren ’60 in bedrijf zijn.

Zeven voorstellen

Het 50 pagina’s tellende document van de studiegroep is donderdag online gepubliceerd op de arxiv-website De studie neemt zeven verschillende basisvoorstellen voor nieuwe versnellers op dezelfde manier de maat. Dat gebeurt op basis van de ontwerpstudies over de uiteenlopende voorstellen, die vaak duizenden pagina’s beslaan en samenvattingen van gemakkelijk twintig pagina’s hebben. In vijf maanden tijd zijn die nu en detail vergeleken.

De werkgroep met theoretici en experimentatoren, zegt Verkerke, had twee centrale vragen. De eerste is wat de voorgestelde machine meer levert dan de High-Luminosity LHC in Genève. De tweede is wat de kans is dat de voorgestelde versneller nieuwe fysische verschijnselen blootlegt, van onbekende deeltjes tot nieuwe eigenschappen van het Higgs-deeltje. Alle voorstellen, zegt Verkerke, leveren beduidend meer dan de LHC.

Higgsfabrieken

Grofweg zijn er twee grootheden die daarbij van belang zijn: de intensiteit van de bundels, die grote hoeveelheden meetgegevens geven, en de energie van de bundels, waarmee onbekende gebieden kunnen worden afgetast. Voor detailvragen over de Higgs zijn vooral veel deeltjes nodig; sommige voorstellen worden daarom wel Higgsfabrieken genoemd. Voor de ontdekking van nieuwe deeltjes is vooral veel energie nodig.

Cirkelvormige versnellers leveren in de regel intensere bundels omdat ze dezelfde bundel steeds opnieuw gebruiken. Bij hoge energie is een langgerekte lineaire versneller effectiever, vooral als er puntdeeltjes als elektronen in op elkaar worden geschoten. Een cirkelvormige versneller geeft bij protonen ook hogere energie, maar de botsingen zijn minder eenduidig omdat protonen geen puntdeeltjes zijn.

CERN zelf bracht eerder al een ontwerpstudie naar buiten van een nieuwe 100 kilometer grote cirkelvormige versneller onder de grond in de regio Genève, de FCC (Future Circular Collider), eerst met elektronen en later met protonen, zoals nu in de LHC. Ook is er bij CERN een lineaire versneller met een heel nieuwe opjaagtechniek voor deeltjes bestudeerd, CLIC genaamd. Deeltjesfysici wachten al jaren op een Japans besluit over een eventuele lineaire versneller daar. In China is een plan gemaakt voor een grote cirkelvormige deeltjesbotser met elektronen en hun antideeltjes.

Vooral een catalogus

De nu gepubliceerde studie is als een catalogus, zegt Verkerke. ‘Het is geen advies en we maken geen keuzes, dat hangt af van de natuurkunde die je belangrijk vindt en is aan commissie en de community. Wij zorgen dat iedereen voor de potentiële wetenschap hetzelfde uitgangspunt en dezelfde feiten heeft in de discussies.’ Politieke haalbaarheid en financiering spelen pas later in de strategiediscussies een rol.

Formeel is zelfs niet gezegd dat we het over een Europese versneller hebben, of een machine elders in de wereld, zegt Verkerke. ‘De strategie formuleert hoe de Europese deeltjesfysica tegenover toekomstige initiatieven staat, waar ook vandaan.’

De CERN Council Open Symposium on the Update of European Strategy for Particle Physics vindt plaats van 13-16 mei in Granada, Spanje.