Als Europa besluit om een grotere opvolger van de LHC-versneller te bouwen, dan moeten deeltjesfysici hun ontdekkingsmethodes grondig herzien. Dat zegt een groep van tien auteurs in een net online verschenen studie.
Het meer dan 70 pagina’s tellende document concludeert dat de voorgestelde FCC-ee, een elektronenversneller van 90 kilometer omtrek, verreweg de beste optie is voor het bestuderen van de deeltjeswereld. Dat is in lijn met de uitkomsten van jarenlange discussies in de fysische gemeenschap over nieuwe versnellers, die eind mei geformaliseerd worden.
Maar deze studie moet niet gezien worden als nog een extra stem voor de FCC, zegt Nikhef-theoreticus en VU-fysicus Juan Rojo en een van de auteurs. “FCC-ee biedt de grootste mogelijkheden, maar op andere manieren dan we in de deeltjesfysica gewend zijn.”
Voor de FCC-ee zijn in de Europese strategiediscussies uitgebreide studies van de haalbare fysica gedaan. Maar vaak zijn die moeilijk onafhankelijk te reproduceren, zegt Rojo. De nieuwe studie daarentegen is volledig open source: iedereen kan alles narekenen en desgewenst ook andere concepten doorrekenen.
Het voorstel voor de Future Circular Collider (FCC) gaat voorlopig uit van een cirkelvormige versneller van 90 kilometer omtrek, die elektronen en positronen laat botsen bij ongeveer 100-400 GeV energie.
Dat is vijftig keer minder energie dan de huidige grootste versneller op aarde, de 27 kilometer grote LHC in Genève, kan leveren. Elektronen zijn echter puntdeeltjes, waardoor de botsingen schoner en conclusies nauwkeuriger zullen zijn dan voor protonen in de LHC.
Op het eerste gezicht is die lagere energie in een grotere versneller een teleurstelling, zegt Rojo. “Een paar jaar geleden was ik nog sceptisch over FCC, want wat kon je doen met vijftigmaal minder energie? Dat domein kennen we al en we zien er geen nieuwe fysica.”
Dat staat haaks op de meest gangbare methode om de deeltjesfysica vooruit te helpen: deeltjes met meer energie op elkaar schieten waardoor nieuwe zwaardere deeltjes in beeld komen. Bij beperkte energie betekent dat in de praktijk dat de experimenten vooral goed zijn in het uitsluiten van hypothetische deeltjes. Ontdekken van iets nieuws is een zeldzaamheid.
Maar zijn oude scepsis is met deze nieuwe studie volledig verdwenen, zegt Rojo namens zijn collega’s. Ze bouwden een systematische methode om voor voorgestelde versnellers na te gaan waar de botsingen wel zicht op geven. En voor de FCC-ee is het potentieel veel rijker dan aangenomen, laat de studie zien.
“We moeten alleen afleren om te denken in termen van groter en hogere energie en het ontdekken van nieuwe deeltjes”, vat Rojo het samen. “Wat de FCC-ee onwaarschijnlijk goed gaat doen is subtiele aanwijzingen voor nieuwe fysica verzamelen. Op een voorwaarde: dat de theoretici zich ook echt op die taak toeleggen en dat experimentatoren die grotere rol van theorie accepteren.”
Cruciaal in deze redenering is dat in de deeltjeswereld de quantumwetten gelden, waar grootheden niet scherp gedefinieerd zijn, maar diffuus zijn. Daardoor kunnen deeltjes en effecten die buiten direct bereik zijn, toch invloed uitoefenen op wel meetbare deeltjesprocessen. Dit is te vangen in zogeheten effective-field theorieën (EFTs).
Rojo noemt de nieuwe studie een pleidooi voor meer inspanningen om zulke theoretische technieken zo ver mogelijk te ontwikkelen. Ook binnen Nikhef, zegt hij, waar sinds begin dit jaar een strategiegroep nadenkt over een rol bij de komst van een nieuwe versneller. “Ik denk dat Nikhef hier een vooraanstaande rol kan spelen. Dit is een signaal aan beide theoretici en experimentatoren, die moeten gezamenlijke het volledige potentieel van het FCC nog volledig verkennen.”
Op 22 mei aanstaande vergadert de CERN Council in Boedapest over de uitkomst van de Europese strategiediscussie ESPP over de toekomst van de deeltjesfysica. Als de CERN-raad de voorkeur voor een FCC-elektronenversneller overneemt, begint een nieuwe fase waarin daadwerkelijk financiering en bouwplannen moeten worden gerealiseerd.
