In de tunnel van de Large Hadron Collider heeft de stilte iets vreemds. Jarenlang heeft de krachtigste machine in de deeltjesfysica onder de grens tussen Zwitserland en Frankrijk protonen laten circuleren, gegevens verzameld en duizenden onderzoekers gedwongen kleine signalen in bergen van getallen te achtervolgen. Nu stopt dat onzichtbare geluid. CERN sloot de LHC af na de laatste fase van gegevensverzameling en opende Long Shutdown 3, de lange werkperiode die de versneller zal transformeren in zijn versie met hoge helderheid, de High-Luminosity Large Hadron Collider.
Een lange, zeer concrete pauze
Vier jaar kan in de deeltjesfysica een soort operationele eeuwigheid lijken. In dit geval heeft de pauze echter het zware tempo van bouwplaatsen: magneten die moeten worden verwijderd, componenten die moeten worden vervangen, nieuwe cryogene lijnen, technische tunnels, elektrische systemen, detectoren die moeten worden bijgewerkt. Alleen al in de LHC zal ongeveer 1,2 kilometer aan elementen worden ontmanteld en vervangen, binnen een 27 kilometer lange ring die nu al lijkt op technische waanzin, verteld met Zwitserse kalmte.
De kalender wijst naar 2030, waarbij de opstart van de HL-LHC gepland staat voor juni van dat jaar. De naam lijkt, zoals gewoonlijk, ontworpen om iedereen met een sociaal leven te ontmoedigen, maar het concept is vrij direct: het verhogen van de helderheid betekent het vergroten van het aantal nuttige botsingen, waardoor meer gegevens worden geproduceerd en de waarneming van zeer zeldzame verschijnselen waarschijnlijker wordt. De nieuwe opstelling moet een geïntegreerde helderheid bereiken die ongeveer tien keer hoger is dan het oorspronkelijke LHC-ontwerp.
In de praktijk bereidt CERN een machine voor die er beter uit kan zien waar hij vandaag nauwelijks zichtbaar is. Met de HL-LHC zullen natuurkundigen het Higgsdeeltje met grotere precisie kunnen bestuderen, kunnen zoeken naar subtiele afwijkingen van het Standaardmodel en aanwijzingen kunnen najagen over alles wat nog buiten het bekende kader blijft: donkere materie, antimaterie, onbekende deeltjes, processen die zo zeldzaam zijn dat ze bijna een achtergrondstoring lijken totdat iemand erin slaagt ze te isoleren.
De LHC kenden we
De Large Hadron Collider vuurde zijn eerste stralen af in september 2008 en produceerde zijn eerste protonenbotsingen in 2009. Sindsdien heeft hij drie grote perioden van activiteit doorgemaakt, waarbij hij een enorme hoeveelheid gegevens heeft verzameld voor CERN-experimenten. Zijn beroemdste resultaat blijft de ontdekking van het Higgsdeeltje, aangekondigd op 4 juli 2012 door de ATLAS- en CMS-samenwerkingen, een stap die een theoretisch mechanisme bevestigde waar al bijna een halve eeuw op wachtte.
Die ontdekking kreeg veel aandacht in de media, waarbij theoretische natuurkunde zelfs een paar dagen lang het gesprek in de bar betrof, tussen degenen die met groot vertrouwen ‘boson’ uitspraken en degenen die alleen maar probeerden te begrijpen waarom een deeltje zoveel aandacht kon verdienen. Het wetenschappelijke punt blijft enorm: de LHC heeft experimentele consistentie gegeven aan een beslissend onderdeel van het Standaardmodel, de theorie die fundamentele deeltjes en hun interacties beschrijft, tenminste voor zover we vandaag de dag kunnen gaan.
Na Higgs bleef de machine echter werken. CERN herinnert zich honderden vorderingen, meer dan 85 ontdekte hadronen, onderzoeken naar de onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie, onderzoek naar nieuwe deeltjes, metingen aan quark- en gluonplasma, d.w.z. de toestand van de materie die helpt omstandigheden te reconstrueren die zeer dicht bij die van het oorspronkelijke heelal liggen. Het is een trage fysica, vaak ondankbaar voor wie op zoek is naar een wending, gemaakt van geduld, uitsluitingen, foutmarges, signalen die verschijnen en verdwijnen.
Meer botsingen, meer lawaai, meer mogelijkheden
De nieuwe fase zal drukker zijn. Op de punten waar de protonenbundels elkaar kruisen, zullen de ATLAS- en CMS-experimenten tussen de 140 en 200 proton-protonbotsingen moeten verwerken voor elke kruising van de deeltjespakketten, vergeleken met ongeveer 60 in de laatste operationele periode van de LHC. Vertaald uit het laboratoriumlexicon: detectoren zullen interessante gebeurtenissen moeten kiezen in angstaanjagend verkeer, met meer dan vijf miljard interacties per seconde.
Om deze sprong te kunnen maken zullen ATLAS en CMS grondig vernieuwd worden. Triggersystemen zullen veranderen, d.w.z. de systemen die beslissen welke botsingen het verdienen om opgeslagen en geanalyseerd te worden. Er zullen nieuwe siliciumtrackers komen, detectoren met miljarden leeskanalen, tijdinstrumenten die kunnen werken op een schaal van enkele picoseconden, calorimeters die op zeer hoge frequenties kunnen werken. De natuurkunde hangt hier af van iets heel onromantisch en heel beslissend: het onderscheiden van het juiste signaal in een schreeuwende menigte.
Het gestelde doel is om veel meer gegevens te verzamelen. CERN schat dat de HL-LHC gedurende zijn operationele levensduur ongeveer 380 miljoen Higgs-bosonen kan produceren, vergeleken met ongeveer 55 miljoen geproduceerd door de LHC sinds het begin van zijn activiteiten. Dit verschil verandert het soort vragen dat u kunt stellen. Een reeds ontdekt deeltje kan een nog verfijnder laboratorium worden, bijna een lens waardoor je naar microscopisch kleine scheurtjes in de theorie kunt zoeken.
Zelfs zonder balken gaat de zoektocht door
Het stilleggen van de LHC klinkt dan ook meer als een bouwplaats dan als een neergelaten rolluik. Gedurende deze jaren zullen de deeltjesbundels stationair blijven, terwijl het wetenschappelijk werk aan de reeds verzamelde gegevens zal worden voortgezet. Duizenden onderzoekers zullen analyseren wat de versneller tot nu toe heeft opgeleverd, en in de tussentijd zullen ze software, detectoren, procedures, modellen en instrumenten voorbereiden voor het nieuwe seizoen. De machine is stil, de natuurkunde blijft wakker.
Er is ook een bijna huiselijk aspect, als we dat kunnen zeggen als we het hebben over supergeleidende magneten en ondergrondse tunnels. Grote wetenschappelijke infrastructuren verouderen en hebben onderhoud, consolidatie, beveiliging en updates nodig. Long Shutdown 3 zal ook dienen om in te grijpen op andere delen van het versnellercomplex, van experimentele structuren tot technische systemen, tot veiligheidssystemen en elektrische netwerken.
Wanneer het complex vanaf 2028 geleidelijk opnieuw begint op te starten, zal de transitie naar 2030 een nieuwe fase inluiden voor de hoge-energiefysica. Het wachten zal lang duren, en misschien zelfs een beetje frustrerend voor degenen die altijd hopen op het volgende deeltje dat de kaart kan veranderen. De LHC heeft echter al één simpel ding geleerd: het universum geeft antwoorden met een bijna aanstootgevende traagheid. We moeten enorme machines bouwen om ze een half woord meer te laten zeggen.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
