Ontwerpstudie voor cirkelversneller van 100 kilometer op CERN

15-01-2019

Vandaag heeft de internationale Future Circular Collider (FCC) samenwerking de ontwerpstudie gepubliceerd voor een nieuwe cirkelvormige, ondergrondse deeltjesversneller van 100 kilometer omtrek bij CERN in Genève. De superversneller moet de opvolger worden van de huidige LHC-versneller op CERN, die na aanpassingen nog tot circa 2040 in gebruik zal blijven.

Met de nieuwe machine zijn de eigenschappen van het in 2012 ontdekte Higgs-deeltje in detail te bestuderen. Daarnaast kan bij hogere energie naar onbekende nieuwe deeltjes worden gezocht.

Het conceptual design report is bedoeld als bijdrage voor de Europese strategiediscussie in de deeltjesfysica, die de komende twee jaar plaatsvindt over de toekomst van het Europese deeltjesonderzoek. In 2020 zullen de conclusies daarvan bekend worden. Een besluit over een eventuele FCC zal daarin nog niet vallen.

 

Volgens het advies reikt de FCC-versneller bij Genève deels onder het Meer van Genève en tot ver in Frankrijk. De versneller bevindt zich op plaatsen tot 300 meter onder de grond. In de machine kunnen deeltjesbundels op elkaar worden geschoten met tot bijna tienmaal zoveel energie (100 TeV) als het maximum van de huidige LHC-versneller.

Bij zulke botsingen kunnen in detail de eigenschappen bestudeerd worden van het in 2012 op CERN aangetoonde Higgs-deeltje. Het bestuderen van de Higgs is volgens de FCC-samenwerking een absolute prioriteit voor iedere toekomstige deeltjesversneller. Daarnaast opent de FCC de speurtocht naar nieuwe onbekende deeltjes die mogelijk het bestaan van donkere materie kunnen verklaren of waarom er veel meer materie is dan antimaterie.

Het advies geeft een idee van de grote wetenschappelijke kansen die een krachtiger versneller biedt, en de technische uitdagingen en kosten van het project. Ook wordt een tijdspad voor de aanleg geschetst.

In eerste instantie wordt in de adviezen een versneller voorzien voor elektronen en hun antideeltjes: positronen met een energie van 90-365 GeV. Dat is minder energie dan de LHC-versneller nu levert, maar omdat elektronen en positronen puntdeeltjes zijn in plaats van protonen met een inwendige structuur, worden de metingen aan Higgs-deeltjes veel nauwkeuriger. Een dergelijke machine wordt wel een Higgs-fabriek genoemd.

Later kunnen in dezelfde 100-kilometer lange versnellertunnel ook proton-protonbotsingen worden gemaakt met extreme energieën tot 100 TeV. Dat is zeven maal zoveel als de LHC-versneller nu maximaal met protonen kan bereiken en daarmee betreedt de deeltjesfysica echt onbekend terrein.

Onderzoekers hopen er zicht mee te krijgen op de wereld voorbij het zogeheten Standaard Model, dat alle bekende deeltjes tot nog toe met elkaar in verband brengt, maar ook vragen openlaat.

De FCC-machine kan desgewenst ook geschikt worden gemaakt voor precisiebotsingen van protonen met elektronen, en van zwaardere atoomkernen waardoor omstandigheden kort na de oerknal worden nagebootst. ‘Dit plan legt de basis voor een rijk programma voor de deeltjesfysica van de 21e eeuw’, zegt CERN-directeur versnellers Frédérick Bordry.

De deeltjesbundels zullen in de FCC worden in hun cirkelbanen gehouden met nieuwe geavanceerde supergeleidende magneten. Daarvoor is nog veel R&D nodig. De LHC-versneller kan als voorversneller voor de FCC worden hergebruikt, aldus het advies. In de ontwerpen wordt rekening gehouden met vier grote ondergrondse detectoren, die de botsingen van deeltjes op verschillende manieren kunnen bestuderen.

Aan het FCC-document werkten meer dan 1300 wetenschappers van meer dan 150 universiteiten, instituten en industrie samen. Ook experts van het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef leverden bijdragen voor onderdelen van de studie.

Algemeen directeur van CERN Fabiola Gianotti is enthousiast over het FCC-plan. ‘Het toont een groot potentieel om onze kennis van fundamentele natuurkunde te vergroten en om technieken te ontwikkelen die ook voor de samenleving groot effect hebben.’ Ze noemt een dergelijke versneller een uitdaging voor de expertise die CERN in een halve eeuw heeft ontwikkeld.

De kosten voor een grote FCC-elektron-positronversneller worden geraamd in de orde van 9 miljard euro, waarvan 5 miljard voor de aanleg van de 100 kilometer lange tunnel. Deze elektronen-versneller kan 15 tot 20 jaar wetenschappelijke gegevens leveren en daarna naar een proton-machine worden omgebouwd.

Mits tijdig met de aanleg wordt begonnen kunnen metingen met botsende elektronen en positronen met de FCC-versneller in 2040 beginnen, zodra de 27-kilometer lange ondergrondse LHC-versneller op CERN definitief stopt. In de nieuwe tunnel kan later de FCC-proton-protonversneller worden gebouwd; kosten daarvoor bedragen 15 miljard euro. Zo’n FCC-proton-protonbotser zou ergens na 2050 in bedrijf kunnen komen.

Meer informatie:

Het originele CERN-persbericht

Website Future Circular Collider Study

Website Conceptual Design Report FCC

CERN-video “Designing the Future Circular Collider”