Op 30 maart 2010 werd bij CERN in Genève de Large Hadron Collider in gebruik genomen. Nu, tien jaar later, is de grootste deeltjesbotser ter wereld nog lang niet uitgemeten.
In het bezoekerscentrum van deeltjeslab CERN in een voorstadje van Genève is het bescheiden begin van het grootste experiment ter wereld te zien als een rood flesje waterstofgas. Moleculen van dit eenvoudigste chemische element worden elders op het CERN-terrein bij Meyrin ontdaan van hun elektronen, waarna de waterstofkernen beginnen aan een lange weg door steeds grotere voorversnellers en opslagringen.
Stap voor stap worden in het versnellercomplex de deeltjes met magneten en elektrische velden naar steeds hogere snelheid opgestuwd, tot ze vrijwel de lichtsnelheid hebben.
En pas dan begint de LHC. De aanloop van de protonen eindigt in de 27 kilometer lange ondergrondse LHC-ring op de grens van Frankrijk en Zwitserland. De in twee richtingen rondvliegende protonen hebben daar als alles meezit een ongeëvenaarde hoge bundelenergie van 7 TeV, op dat moment verreweg de hoogste van alle versnellers ter wereld.
Bundel is een groot woord. De protonen vliegen met bijna de lichtsnelheid in afgemeten pakketjes in twee richtingen door de bundelpijp, in hun baan gehouden en gefocusseerd door meer dan duizend extreem gekoelde supergeleidende magneten. De benodigde installaties met vloeibaar helium zijn op zich al de grootste ter wereld.
In de tunnel is de onafzienbare reeks blauwe en rode magneten van vijf tot vijftien meter lengte overweldigend. De ronding van de 27 kilometer lange tunnel is in de verte eigenlijk nauwelijks te zien.
Reusachtige microscoop
Op vier plaatsen in de versnellerring kunnen zulke pakketjes protonen op elkaar worden gestuurd, waarna sommige protonen elkaar frontaal raken. Reusachtige detectoren registreren op die interactiepunten de brokstukken en nieuwe deeltjes die bij de botsingen vrijkomen en fysici proberen die patronen te doorgronden. Ze testen er bestaande theorieën over deeltjes en krachten mee. En ze speuren naar onbekende nieuwe processen en interacties, die misschien weer tot diepere inzichten kunnen leiden.
De LHC, zeggen natuurkundigen vaak, is als een reusachtige microscoop om nog dieper in de machinerie van het universum te turen. Juist omdat hij zulke kleine objecten moet bekijken moet hij onvoorstelbaar groot en krachtig zijn.
Filmploegen
Op 10 september 2008 werd ergens vroeg in de middag onder enorme mediabelangstelling de LHC-versneller echt in gebruik genomen. Acht jaar was eraan gebouwd, nadat er al decennia aan ontwerpen en gerekend was.
Omringd door pers en filmploegen zagen honderden officials, fysici en technici op beeldschermen in de controlekamers hoe de protonbundel daadwerkelijk werd opgewekt en versneld en na injectie in de LHC-ring steeds een station verder een trefplaatje raakten. Een kwart, de helft, driekwart. En rond.
Toen protonen daadwerkelijk voor het eerst rondvlogen, ging er gejuich op, werd er omhelst en op schouders geklopt, gingen her en der flessen champagne open. Versnellerbouwer Lyn Evans, onder vakgenoten een legende, stak in de controlekamer op de eerste rij opgelucht zijn glas extra ver omhoog. Een nieuw tijdperk was begonnen. In elk geval in de versnellerfysica, waarin voor het eerst supergeleidende magneten waren toegepast. Deze waren speciaal ontwikkeld voor de nieuwe Europese deeltjesbotser die met veel zwaardere deeltjes dan elektronen toch in de al bestaande 27 kilometer grote LEP-tunnel moeten rondgaan.
Nieuw energiedomein
En hopelijk vooral ook een nieuw tijdperk in de deeltjesfysica, waar reikhalzend werd uitgezien naar metingen in een nieuw energiedomein. Met de LEP-versneller in dezelfde 27 kilometer lange tunnel onder de Frans-Zwitserse grens, toen de grootste versnellerring ter wereld, was tot het jaar 2000 gespeurd naar het befaamde higgsdeeltje, het laatste ontbrekende deeltje uit het Standaardmodel. Daarnaast hoopten velen dat er nu eindelijk aanwijzingen zouden komen voor een heel nieuwe, nog onbekende deeltjeswereld, de zogeheten supersymmetrie.
LHC betrad niet voor niks een nieuw energiedomein. De oude LEP kon elektronen en hun antideeltjes versnellen tot frontale botsingen van 210 GeV energie (0,42 TeV botsingen). De Large Hadron Collider protonversneller reikt op papier tot liefst 14 TeV, bijna vijfendertig keer zoveel botsingsenergie.
LEP-tunnel leeggehaald
Sinds de sluiting op 2 november 2000 van LEP, onder protest van sommige fysici trouwens die meenden dat die versneller het higgsdeeltje in feite bijna te pakken had, waren er acht jaar verstreken. De LEP-tunnel was leeggehaald, er waren nieuwe installaties in de bestaande tunnel gebouwd, plus de nieuwe versneller en vier nieuwe enorme deeltjesdetectoren: ATLAS, CMS, LHCb en ALICE.
Al die jaren was er zonder serieuze bundel niks te meten geweest, laat staan iets nieuws te ontdekken. Pogingen van andere labs, zoals Fermilab in de VS, om met kleinere machines daar het higgsdeeltje te vinden werden in die jaren vanuit Europa met aanzienlijke nervositeit gevolgd. Supersymmetrie idem dito.
Als de LHC na jaren intensief ontwikkelen, ontwerpen, bouwen en testen op 10 september 2008 in gebruik wordt genomen is dat alweer zeker een jaar later dan ooit de planning was, maar de opluchting is niettemin groot. Er is eindelijk weer bundel, en de jacht op nieuwe fysica kan verder en nu met de grootste versneller ooit.
Slecht gelast contact
Maar negen dagen na de eerste bundel slaat het noodlot toe. In een van de supergeleidende magneten in de ring verhit in de nacht van 19 september de krachtstroom in een slecht gelast contact het passerende vloeibaar helium en treedt een explosie op die de versneller lam legt en deels ontwricht. Na onderzoek van alle contacten, aanpassingen en reparaties komt de versneller pas in 2010 weer op stoom. Op 30 maart voor het eerst echt als deeltjesbotser. Voor de herstart is al besloten om niet meteen voluit te gaan werken, maar in stappen met de bundelenergie omhoog te gaan. En ondertussen eindelijk echt te meten.
De eerste runs van LHC-protonen komen niet voorbij de 0,450 TeV botsingsenergie, ongeveer evenveel als LEP met elektronen haalde. Maar in werkelijkheid zelfs minder, omdat protonen samengestelde deeltjes zijn, waarvan de drie quarks maar een deel van alle botsingsenergie dragen.
Voordeel bij een nadeel is wel dat de detector-experimenten in de LHC-ring (met Nikhef betrokken bij ATLAS, LHCb en ALICE) nu echt allemaal op scherp staan. Twee jaar eerder waren die eigenlijk maar ternauwernood klaar voor de start geweest.
De voorzichtige start met 0,450 TeV bundels leidt in november 2009 tot 1180 GeV (1.18 TeV) bundelenergie. Dat is vooral bevredigend omdat het echt meer is dan de Tevatron-versneller in de VS (net geen 1 TeV) kan bereiken, de potentiële concurrentie in de higgsjacht. Voor het eerst betreedt LHC nu echt een nieuw energiegebied. Bij de herstart in maart 2010 is de energie inmiddels 3,5 TeV.
Nerveuze herstart
De dag van de herstart is een nerveuze, herinneren betrokkenen zich. Twee pogingen om de bundels te laten rondgaan mislukken terwijl de wereldpers toch weer meekijkt. Pas een dag later lukt het echt om botsingen tussen protonpakketjes (2244 in de hele cirkel) tot stand te brengen in zowel de ATLAS- als CMS-detector, de twee immense vlaggenschepen van de nieuwe LHC-fysica. In 2011, in de zogeheten run-1 van de LHC die tot 2012 zal duren, is de bundelenergie nog steeds maar 3,5 TeV, de helft van waar LHC voor gebouwd is. In 2012 gaat de bundelenergie voor het eerst voorzichtig verder omhoog naar 4 TeV, en dus naar botsingen tot 8 TeV.
Het higgsdeeltje
Op dat moment heeft de versneller bij relatief lager botsingsenergie nog maar een miniem deel van alle deeltjesbotsingen geproduceerd die de LHC volgens de folder over zijn levensduur moet opleveren. Het blijkt echter al genoeg voor het absolute hoogtepunt van de deeltjesfysica in de nog jonge 21e eeuw: de ontdekking van het lang voorspelde higgsdeeltje. Op 4 juli 2012 presenteren ATLAS en CMS samen voldoende bewijs voor een deeltje van 125 GeV massa dat in theorie alle andere elementaire deeltjes hun massa dicteert. Het nieuws is wereldwijd voorpaginanieuws. Een jaar later in 2013 krijgen de theoretici Peter Higgs en Francois Englert een Nobelprijs voor hun voorspelling van het deeltje. De ATLAS en CMS-detectoren krijgen hetzelfde jaar samen de EPS prijs voor de daadwerkelijke ontdekking.
In de eerste geplande onderhoudspauze van de LHC-versneller LS1 (2012-2014) wordt de LHC-machinerie verder aangepast en verbeterd, en in run-2 vanaf 2015 draait de LHC met 6,5 TeV energiebundels. De versneller-ingenieurs beginnen de machine zo goed te beheersen dat de bundel vaker beschikbaar is en ook intenser kan worden gemaakt door pakketjes met nog meer protonen nog dichter op elkaar in de ring te laten rondvliegen.
Vijf procent data
De LHC levert in run-2 tot het begin van de tweede (huidige) onderhoudspauze LS2 (2018-2021) protonbundels met 6.5 TeV energie, die frontaal dus 13 TeV in botsingen oplevert. Elke seconde vinden in de detectoren ongeveer een miljard proton-protonbotsingen plaats. In totaal heeft de LHC nu ongeveer 5 procent geproduceerd van alle botsingen die de machine in zijn bestaan zal geven: 150 inverse femtobarn (een maat voor het aantal botsingen) van de voorspelde 3000 fb-1. LHC heeft nog ongeveer twintig jaar te gaan, is de planning.
Een aanzienlijk deel daarvan zal de bundel niet alleen de volle 14 TeV botsingsenergie gaan leveren. Ook wordt de bundel tot tienmaal intenser gemaakt met allerlei nieuwe technieken. De voorbereidingen voor de HL-LHC (high luminosity) zijn inmiddels in de huidige LS2-pauze in volle gang op CERN, en een aantal van de detectoren en de computerfaciliteiten bereiden zich nu al voor op de vloedgolf aan meetgegevens die dan gaat komen. Nikhef speelt hier ook een belangrijke rol in.
Volgens plan ergens voor de zomer van 2021 moet de LHC ontwaken uit de tweede grote pauze en begint run-3, waarin de experimenten met inmiddels ook nog een jaar extra meettijd hun meetgegevens vermoedelijk gaan verdubbelen. In de hoop met nog scherpere statistiek eventuele nieuwe verschijnselen en deeltjes op het spoor te komen.
Foto’s van 30 maart 2010 op Nikhef in Amsterdam:
INZET 10 jaar LHC-FYSICA: Higgs en veel meer
In de middag van 4 juli 2012 kondigden de woordvoerders van het ATLAS-experiment (de latere CERN-directeur Fabiola Gianotti) en de CMS-detector samen de ontdekking aan van het laatste ontbrekende deeltje in de deeltjestheorie: het higgsboson. In zalen op CERN en elders in de wereld klinkt applaus en gejuich. Een bejaarde Peter Higgs pinkt in Genève een traan weg.
Het naar hem vernoemde deeltje hoort bij een universeel veld dat volgens de theorie van Peter Higgs en anderen uit de jaren zeventig alle elementaire deeltjes hun specifieke massa dicteert. Het vormt een aanvulling op het zogeheten Standaardmodel, waarin alle bouwstenen van het universum en hun onderlinge krachten worden beschreven.
Beide experimenten zagen al na anderhalf jaar meten op verschillende manieren een significant piekje ontstaan in hun gegevens bij 125 GeV energie. Dat duidde op een deeltje met die massa waaruit bijvoorbeeld paren fotonen ontstonden. De ontdekking was wereldnieuws en sindsdien geldt de ontdekking van het higgsdeeltje als de hoofdprijs van het LHC-project.
Deze snelle hoofdprijs heeft echter heel veel andere fysica uit het LHC-programma ook een beetje overschaduwd, zeker in het publieke domein. Om te beginnen is de vondst van het 125 GeV-deeltje nog met talloze vragen omgeven. De meeste fysici denken wel dat het het higgsdeeltje is zoals de theorie het voorspelde. Maar zelfs of het de enige is, of de meest eenvoudige kan alleen meer onderzoek uitwijzen.
Pas nu, vijf jaar later, beginnen er metingen te verschijnen die de relatie van het deeltje met andere deeltjes in het Standaardmodel echt meten. Daarin liggen nieuwe tests voor het Standaardmodel en wellicht ook veelzeggende afwijkingen. De vondst van het higgsdeeltje in 2012 is een triomf, een afsluiting van een lange speurtocht. Maar tegelijk ook het begin van een nieuw tijdperk in de natuurkunde.
Verreweg de meeste resultaten van de LHC-experimenten zijn tot nog toe uitgelopen op een bevestiging van de voorspellingen uit het Standaardmodel. Wie hoopte op nieuwe onbekende deeltjes, bijvoorbeeld bouwstenen van donkere materie, vindt dat teleurstellend. Maar tegelijk is het LHC-werk ook een scherprechter voor voorspellingen van theorie die voorbij het Standaardmodel (BSM: beyond the standard model) probeert te kijken.
En het Standaardmodel zelf heeft nog een hele reeks belangrijke open vragen. Het higgsveld en zijn deeltjes zijn in feite een tamelijk willekeurige toevoeging aan de theorie, die weliswaar werkt. Maar zonder dat we weten waarom eigenlijk.
Waar komt het higgsboson dat we in de LHC zien eigenlijk vandaan, vroeg hoofdtheoreticus Michelangelo Mangano zich onlangs in een gedetailleerd overzichtsartikel over tien jaar LHC-fysica in CERN Courier af. Het is zelfs denkbaar dat de gevonden higgs geen elementair deeltje is, maar samengesteld uit diepere elementen. Alleen meer meten en slimmere analyses kunnen dat ophelderen.
Met name bij de LHCb-detector ligt de nadruk op vreemde verschijnselen in de wereld van de quarks, de bouwstenen van de kerndeeltjes en andere materie. De verschillen tussen materie en antimaterie is in tien jaar LHC veel preciezer aangetoond. Eigenschappen van zeldzame quarks veel beter bepaald met een precisie die theoretici maar met moeite in het Standaardmodel kunnen bereiken.
Ook op het vlak van de supersymmetrie kan de LHC volgens Mangano nog van alles in petto hebben. De eenvoudigste versie daarvan had allang gevonden moeten zijn. Maar barokkere vormen van supersymmetrie zijn niet uitgesloten, schrijft de CERN-theoreticus. De samenwerking tussen de experimenten en theoretici is nauwer dan ooit, zegt hij ook.
Soms klinkt de kritiek dat met de LHC alleen een voorspelling van een halve eeuw eerder is bevestigd en dat er daarbuiten geen enkele nieuwe fysica zoals supersymmetrie of donkere materie is ontdekt. Met vijf procent van alle metingen lijkt dat een wat erg voorbarige conclusie. De aanwijzingen voor nieuwe fysica kunnen zo subtiel zijn dat alleen heel veel metingen ze aan het licht kunnen brengen. LHC is nog lang niet uitgebotst.
Jos Engelen, nu emeritus-hoogleraar deeltjesfysica UvA, Nikhef-directeur 2001-2003, destijds (2008) wetenschappelijk directeur CERN: ‘De start van de LHC-versneller op 19 september 2008 was een euforisch moment, er was zo hard naartoe gewerkt en het werkte echt, we hadden die dag de bundel die op de monitoren stap voor stap de ring van 27 kilometer rondging. Met honderden journalisten die meekeken, ook al omdat er mensen waren die vreesden dat we een zwart gat zouden maken dat alles opslokte. Wat niet gebeurde natuurlijk. Een week later was er wel die explosie door een opwarmend supergeleidend contact, een slechte las van de duizenden in de reusachtige machine. De herstart in maart 2010 was een opluchting, en sindsdien is LHC het paradepaard van de Europeanen gebleken met het absolute hoogtepunt de ontdekking van de higgs in 2012. De LHC heeft CERN tot een wereldmerk gemaakt, daar ben ik van overtuigd.’
Frank Linde, nu programmaleider zwaartekrachtsgolven Nikhef, destijds (2010) een van de bouwers van de grote ATLAS-detector en Nikhef-directeur 2005-2014: ‘Op CERN hadden we sinds 1989 de LEP-versneller, die tot 2000 in bedrijf was. Maar al in 1992 herinner ik me felle discussies over een nieuwe superversneller voor protonen. Ik was daar niet persé voor, botsende protonen betekenen een hoop rommel in je metingen. Maar Nikhef moest toen al beslissen in welk groot experiment we zouden stappen. Dat werd na een shoot-out tussen de diverse ideeën ergens in een zaaltje bij Schiphol ATLAS, die eerst trouwens EAGLE heette. Dat we daarmee in 2012 eindelijk de higgs vonden was natuurlijk fantastisch, een droom die uitkwam. Al vind ik het nog steeds zuur dat CERN er de Nobelprijs niet mede voor kreeg. Daar was ik persoonlijk behoorlijk teleurgesteld over.’
Tristan du Pree, nu Nikhef-fysicus ATLAS-experiment, destijds (2008) promovendus bij LHCb: ‘Eerst zou de LHC-bundel er al in 2007 zijn, en toen werd het toch pas 2008. Ik zat als promovendus bij het LHCb-experiment en hoopte op mooie protonbotsingen in de nieuwe detector. Maar in plaats daarvan gingen de versnellerlui eerst voor de volle bundelenergie. Niks botsingen dus, eerst bundels. Daar had ik niet zoveel aan. En toen ging hij ook nog stuk en duurde de reparaties weer zeker een jaar. Waar overigens niet iedereen rouwig om was, want veel experimenten waren in 2008 eigenlijk nog niet klaar. Ik had voor mijn proefschrift gerekend op honderdduizend B-mesonen voor mijn analyses. Dat werden er uiteindelijk 23 plus of min 5. Maar wel de eerste B-mesonen uit de LHC, wat natuurlijk ook mooi was.’
Martijn van Calmthout, nu hoofd communicatie Nikhef, destijds (2008) chef wetenschap en verslaggever voor de Volkskrant: ‘De formele ingebruikname van de LHC in september 2008 was een groots opgezet media-event. Met honderden verslaggevers en cameraploegen zaten we aan lange tafels in de Globe op CERN, en het voelde als de press room voor een top van wereldleiders of van de Olympische Spelen. De sfeer was opgewonden: er was een nieuwe versneller die eindelijk wel het befaamde higgsdeeltje ging vinden. Ik weet dat ik van uur tot uur een weblog bijhield. Voor de krant schreef ik in de zon op het grasveld voor de Globe een reportage die begon met de zin: als u dit leest zijn we gistermiddag niet opgeslokt door een kunstmatig zwart gat in Genève. Een grapje natuurlijk, niemand geloofde dat echt. En het nieuws was vooral hoopvol: nieuwe natuurkunde. In de verte zag ik trouwens wel hoe theoreticus John Ellis bijna onder een auto kwam toen hij verzonken in gedachten de straat overstak. Kleine dingen op een historische dag.’
Clara Nellist, nu Nikhef-fysicus Radboud Universiteit Nijmegen, destijds (2010) promovendus bij het ATLAS-experiment op CERN: ‘Het klinkt een beetje gek, maar ik heb de LHC-versneller zelf maar één keer in het echt gezien. Dat was tijdens een open dag in 2013, als bezoeker. Het was onwerkelijk, omdat ik er al zoveel foto’s van had gezien en veel over gelezen. Maar om de enorme blauwe buis met al die magneten dan echt in de verte te zien verdwijnen is toch wel surrealistisch. Ik ben een hardloper. Mijn stiekeme droom is sindsdien om een keer de hele 27 kilometer rond te rennen in de tunnel.
Als de LHC aan staat kun je er niet bij, en als je beneden bij detector werkt zie je alleen het uiteinde van de bundelpijp. De versneller levert ons de protonenbotsingen die we willen bestuderen. Maar het is niet alsof je water uit de kraan tapt, het is een nauwe samenwerking tussen experimenten en versneller. We dagen elkaar voortdurend uit. Wij willen zoveel mogelijk meten, zij een machine die perfect loopt. Dat haalt het beste bij beide naar boven. Van de start in 2010 herinner ik me niet zo veel, we waren dagelijks bezig en dit was gewoon weer een stap. Ik weet wel dat veel promovendi opgelucht waren dat er nu eindelijk gemeten kon worden.’