Nieuwe pijnbank voor kleine deeltjes

Er is nog ten minste één Nobelprijs te verdienen in het onderzoek naar de kleinste deeltjes. CERN, het Europese instituut voor deeltjesfysica, heeft er al een apart gebouw voor neergezet, met de vorm van een H. Natuurkundigen vanuit de hele wereld speuren naar de laatste ontbrekende schakel in het Standaardmodel: het Higgs-deeltje. Op papier bestaat het al jaren, maar wie laat de eerste vingerafdruk ervan zien?

De Large Electron-Positron Collider (LEP, zie: Een schot hagel op 100 meter diepte) produceerde op 13 augustus 1989 zijn eerste deeltjes. Dat gebeurde door elektronen en positronen op elkaar te laten botsen, waarbij beide bundels een energie hadden van 45 giga-elektronvolt (GeV). De GeV is een eenheid die aangeeft met welke energie een deeltje beweegt, maar volgens de bekende formule van Einstein is massa een vorm van energie en is de GeV dus ook een eenheid van massa. Bij een botsing van twee deeltjes met 45 GeV wordt de materie omgezet in een totale energie van 90 GeV, waaruit vervolgens weer deeltjes ontstaan. Zo ontstaat bij twee bundels van 45,6 GeV het Zo-deeltje, waarvoor 91,2 GeV nodig is. Ter vergelijking: 1 GeV is ongeveer gelijk aan de massa van een proton.

In de achterliggende jaren zette de LEP er telkens een tandje bij: de energie werd opgevoerd tot 65 GeV in 1995, tot 80,5 GeV in 1996 en 94,5 GeV in 1998. Zo zijn inmiddels ook W-- en W+-deeltjes ontdekt. Vorige maand kreeg de LEP officieel toestemming voor experimenten van 105 Gev. Daarmee is ook echt het onderste uit de kan gehaald.

Precies vijf jaar geleden besloot CERN het over een andere boeg te gooien met de bouw van een nieuw type versneller, de Large Hadron Collider (LHC). De LHC maakt gebruik van dezelfde 27 kilometer lange tunnel als de LEP, maar toch zijn de verschillen groot. Belangrijkste verbetering is de energie, die opgevoerd wordt tot 14.000 GeV ofwel 14 tera-elektronvolt (TeV). Dat lukt omdat de natuurkundigen in de onderaardse ring niet langer elektronen en positronen rondslingeren, maar de veel zwaardere protonen. Ze dromen zelfs van een bombardement met kernen van het atoom lood, die tegen elkaar zullen klappen met een botsenergie van 1150 TeV.

Absoluut gezien stelt die energie niet zoveel voor, 1 TeV is evenveel als de bewegingsenergie van een vliegende mug. Het is juist het samenpersen van deze hoeveelheid energie in een heel kleine ruimte, het duizendmiljardste deel van de grootte van een mug, die de LHC zo bijzonder maakt.

Boodschappenbriefje
Hoewel pas in 2005 de eerste deeltjes zullen rondcirkelen in LHC, is de bouw ervan in volle gang. In Genève is weliswaar nog weinig te zien, maar het werk wordt verricht door honderden instituten en bedrijven over de hele wereld. Er staat nogal wat op het boodschappenbriefje van directeur Luciano Malani. De tunnel moet gevuld worden met 1100 supergeleidende magneten van elk 15 meter lang, om de protonen hun snelheid te geven en tegelijkertijd te voorkomen dat ze uit de bocht vliegen. De magneten werken pas goed bij een temperatuur van 1,9 kelvin (-271,1 graad Celsius) en er is 12 miljoen liter vloeibare stikstof en 700.000 liter vloeibaar helium nodig om de 31.000 ton aan materiaal zo koud te krijgen. Daarvoor bouwt CERN acht heliumfabrieken rond de ring.

Al die inspanning is nodig omdat LHC met botsende protonen werkt. Bij de LEP konden de negatieve elektronen en de positieve positronen in dezelfde buis met hetzelfde magnetische veld op hun plaats gehouden worden, maar nu reizen de protonenbundels in twee verschillende buizen. De protonen hebben dezelfde lading en dus moet de richting van het magnetisch veld in de buizen verschillend zijn om de deeltjes in tegengestelde richting te laten bewegen.

Hoe groots dat ook allemaal klinkt, het echte werk gebeurt maar op een paar plaatsen langs de ring: bij de detectoren. Die moeten bij elke klap de brokstukken opvangen. De grootste van de twee detectoren die nu gebouwd worden, is het Atlas-project. Niet minder dan 1700 natuurkundigen van 150 universiteiten en laboratoria uit 33 landen zijn betrokken bij de bediening van deze detector. Door de lengte van 45 meter, een hoogte van 22 meter, het gewicht van 7000 ton en de prijs van een half miljard gulden, dringt zich de vergelijking op met apparaten zoals een tunnelboormachine of de vaartuigen die de Oosterscheldekering hebben gebouwd. Het verschil is dat de Atlas volgestouwd zit met elektronica.

Ui
„Vergelijk zo'n detector maar met een ui”, zegt prof. dr. Frank Linde, de projectleider van het Nederlandse aandeel in het Atlas-experiment. De Amsterdamse hoogleraar bivakkeert het grootste deel van zijn tijd in Genève. Nederland is in CERN vertegenwoordigd via het Nikhef, het Nationaal instituut voor kernfysica en hoge-energiefysica, een samenwerkingsverband van vier universiteiten en de Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek.

„De Atlas-detector is opgebouwd uit diverse lagen die bedoeld zijn om de verschillende deeltjes te karakteriseren. Dat gebeurt in drie gebieden, van binnen naar buiten: de sporenkamer, de calorimeter en de muonkamer. De sporenkamer zit het dichtst bij de botsruimte en bevat een ring van siliciumplaatjes waarmee we de plaats van een passerend deeltje met een nauwkeurigheid van 0,01 millimeter kunnen bepalen. Eromheen zitten rietjes die met gas gevuld zijn. De deeltjes laten daarin een ionisatiespoor achter.” Geladen brokstukken zullen in deze kamer een sterkere kromming laten zien naarmate ze zwaarder zijn of een hogere snelheid hebben, de richting van de kromming geeft de aard van de lading aan.

De ruimte om de sporenkamer is de calorimeter. Die bestaat uit een harmonica-achtige sandwich van loodplaten met vloeibaar argon ertussen. Dit stuk is bedoeld om deeltjes af te remmen; de snelheid waarmee dat gebeurt, geeft aan wat de oorspronkelijke energie ervan was.

Graniet
Het paradepaardje van Linde is de muonkamer, bedoeld om muonen te meten. Muonen lijken op elektronen maar zijn 200 keer zwaarder en passeren dus ongehinderd de calorimeter. Juist de muonen zijn belangrijk om het Higgs-deeltje aan te tonen, want volgens de voorspelling valt dat uiteen in vier muonen of twee muonen en twee elektronen.

Omdat de muonkamers in de buitenste laag van de Atlas-detector zitten, beslaan ze een groot oppervlak: 17.000 vierkante meter. „In totaal bouwen we 600 muonkamers, verdeeld over drie lagen. Dat is nodig, want de muonen vliegen dwars door de kamers heen. We willen weten welke kromming ze maken, dus aan twee lagen heb je niet genoeg. Door twee punten trek je een lijn maar geen curve. Daarnaast zijn er nog 600 muonkamers nodig aan de voor- en achterkant van de detector.”

Linde en zijn medewerkers hebben de afgelopen jaren hard gesleuteld aan het ontwerp voor de muonkamers. De locatie heeft allure: „Dit is een 'parkeergarage' van het UA1-experiment, waarvoor Simon van der Meer en Carlo Rubbia in 1984 een Nobelprijs kregen.” De muonkamers zien eruit als een stapel tl-buizen, maar dan van aluminium. Het principe ervan is hetzelfde als van de sporenkamer, maar nu zijn de rietjes 3 centimeter dik en ruim 5 meter lang. „De buizen moeten perfect gestapeld zijn om precies te weten waar de deeltjes passeren. Dat gebeurt op een speciale vlakke granieten tafel. We kunnen straks de sporen met een nauwkeurigheid van 0,01 millimeter traceren.”

De test is achter de rug en vorige maand is de eerste muonkamer geleverd door een Griekse universiteit. In 2004 moeten ze allemaal gemonteerd zijn. „Maar het duurt zeker een paar jaar voordat we de eerste resultaten kunnen claimen. Werken met botsende protonen is een stuk lastiger. Elektronen zijn puntdeeltjes, protonen zijn net soep, je begint al met iets smerigs.” Het Atlas-experiment genereert straks een enorme hoeveelheid gegevens: er vinden 400 miljoen proton-protonbotsingen plaats per seconde. Daartussen zitten naar verwachting tussen de tien en de honderd Higgs-deeltje per jaar. „Het Higgs-deeltje is zo zeldzaam, zoeken naar een speld in een hooiberg is een eufemisme.”