Amerikaans versnellen

Margriet van der Heijden

Interview | Zaterdag 28-03-2009 | Sectie: Overig | Pagina: W04 | Margriet van der Heijden

Ik had graag gezien dat het Tevatron evenveel belangstelling had gekregen.

Fundamenteel natuurkundige Sijbrand de Jong over de Amerikaanse tegenhanger van de LHC-versneller. Margriet van der Heijden

Sorry, de vergadering liep uit. Sijbrand de Jong is laat. Maar dat hadden zijn collegas al voorspeld. Want De Jong, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Radboud Universiteit in Nijmegen en directeur van het daar gevestigde IMAPP-instituut voor wiskunde, sterrenkunde en deeltjesfysica, is altijd druk. Met colleges, met bestuurswerk en met experimenten aan de andere kant van de oceaan. Zoals de metingen bij de grote Tevatronversneller bij Fermilab bij Chicago in de Verenigde Staten, waar De Jong de Nederlandse inbreng leidt.

Daarover gaat dit gesprek. Want terwijl de machtige LHC-versneller bij het Europese centrum voor deeltjesonderzoek, het CERN bij Genève, voor een jaar in reparatie is, draait de Amerikaanse Tevatronversneller juist als een zonnetje. Net zo goed als we ooit optimistisch hadden gehoopt, en veel beter dan we in de tussentijd waren gaan denken, zegt De Jong.

De natuurkundigen van het CERN worden daar een beetje nerveus van, ook al zeggen ze dat niet hardop, denkt De Jong. Want de recente metingen bij Fermilab aan het zogeheten W-boson (dat de zwakke kracht overbrengt, zie kader) geven indirect óók informatie over de massa van het Higgsdeeltje - de heilige graal van de deeltjesfysica die moet verklaren waarom alle andere deeltjes massa hebben. Dankzij die metingen op Fermilab sloten de afgelopen weken de netten zich alweer nauwer om die Higgs. Het is nu zelfs niet ondenkbaar dat het Tevatron de eerste glimp van het Higgs-deeltje zal opvangen - vóór de LHC-versneller.

De Jong: En toch kent de bloemist hier op de hoek wel de LHC-versneller en de Higgs, maar heeft hij, zoals de meeste Nederlanders, nog nooit van het Tevatron gehoord. Vandaar dit gesprek over deze cirkelvormige versneller, met een omtrek van 6,3 kilometer - veel kleiner dus dan de LHC - waarin protonen (positief geladen kerndeeltjes) botsen op hun tegenhangers van antimaterie (antiprotonen).

De LHC-versneller heeft te veel aandacht gekregen en het Tevatron overschaduwd?

De Jong: Nee, dat wil ik niet zeggen. Ik had het liefst gezien dat het Tevatron evenveel belangstelling had gekregen. We hebben daar de afgelopen jaren mooie resultaten behaald. We hebben nauwkeurig de massa vastgesteld van het topquark, het zwaarste van de zes quarks die de kleinste bouwstenen van atoomkernen zijn. En met die waarde begrenzen we indirect ook de massa van het Higgsdeeltje. Verder hebben we metingen gedaan aan B-mesonen, deeltjes die een bottomquark bevatten, en die metingen bevestigen definitief het model waarvoor Kobayashi en Maskawa afgelopen herfst de Nobelprijs kregen. Hun model verklaart waarom er kort na de oerknal veel meer materie dan antimaterie overbleef, en waarom dus materie en antimaterie elkaar niet meteen weer volledig vernietigd hebben.

Misschien zijn dat resultaten die, ook wegens hun complexiteit, vooral de vakspecialisten aanspreken?

Maar ik zie niet in waarom dat zo zou zijn. Aan de asymmetrie tussen materie en antimaterie dankt de kosmos zijn bestaan. Dit zijn resultaten die het verhaal van de wetenschap over het ontstaan van onze kosmos onderbouwen. Juist dankzij resultaten als deze is dat intussen een heel consistent verhaal, dat beschrijft hoe het heelal zich sinds fracties van seconden na de oerknal ontwikkeld heeft tot zijn huidige vorm. En als je de kennis over de evolutie daarbij voegt, dan heeft de wetenschap in feite het eerste deel van het boek Genesis uit het Oude Testament herschreven. Zeg maar tot aan de verjaging uit het Paradijs. En oké, wáár de oerknal uit voortkwam, en waar dus de materie vandaan kwam, weten we nog niet precies. Maar de Bijbel vertelt ook niet waar God zijn grondstoffen vandaan haalde. Het verbaast mij in elk geval dat er niet meer belangstelling is voor dit wetenschappelijke verhaal. Je daarin verdiepen lijkt mij stukken relevanter dan het geneuzel of Jezus of Mohammed nou de laatste profeet is geweest.

Het Tevatron dan. Wat is dat voor versneller?

Het Tevatron heeft al een lange geschiedenis. In de eerste helft van de jaren negentig is het Tevatron gebruikt voor een zoektocht naar het topquark, destijds het laatste nog niet ontdekte quark. Het topquark was zo zwaar dat het buiten het bereik viel van de SPS-versneller, de destijds grootste cirkelvormige versneller van CERN. De vergelijkbare, maar krachtiger Tevatron kon het topquark wél waarnemen, maar omdat het nóg zwaarder bleek dan we aanvankelijk dachten (175 GeV, ofwel 175 Giga-elektronvolt, zie ook kader) moesten we daarbij gaan tot de rand van wat mogelijk was.

Dat had gevolgen voor de experimenten. Aanvankelijk stond bij het Tevatron alleen de CDF-detector, een reusachtige detector vol state-of-the-art-technologie en ofschoon nu wat verouderd goed vergelijkbaar met de grote ATLAS en CMS-detectoren bij de LHC-versneller. Maar het was te link om op één detector te vertrouwen, juist omdat we op het randje zaten.

Dus werd daarnaast de D0-detector gebouwd, een heel uitgeklede detector, uitsluitend gericht op het vinden van een topquark. D0 kostte zes of zeven keer minder dan CDF: enkele tientallen miljoenen; ook in die tijd goedkoop.

En nadat het topquark in 1994 gevonden was, is men meteen maar doorgegaan met meten?

Ja, toen wilden we ook de massa van het topquark nauwkeurig gaan vaststellen. Maar daarvoor moesten we veel meer topquarks maken bij de botsingen tussen protonen en antiprotonen, én we moesten die beter herkennen. Daarom was er een upgrade. Met aanpassingen binnen de bestaande infrastructuur werd de energie van de versnelde (anti)protonen met 10 procent verhoogd. De luminositeit, het aantal deeltjesbotsingen per seconde, werd opgevoerd. En de D0-detector werd eigenlijk helemaal opnieuw opgebouwd.

In die tijd is ook een Nederlands team fysici in het D0-experiment gestapt, op uw voorspraak. Waarom wilde u dat?

Nederland is er begin 1998 in gestapt. We dachten toen dat de LHC-versneller in 2004 zou gaan draaien. Tot die tijd zou het Fermilab dus de enige plek ter wereld zijn om topquarks te bestuderen, en om een precisiemeting te doen aan de massa van het topquark. En daaruit kunnen we meer te weten te komen over andere parameters in het Standaard Model zoals met name de Higgsmassa.

Verder had Nederland destijds vooral ervaring met experimenten bij de LEP-versneller op het CERN. Maar die versneller geeft hele schone botsingen tussen elektronen en hun antideeltjes, positronen. Het leek mij daarom goed om bij het Tevatron ook alvast kennis te maken met botsingen tussen protonen. Die leveren heel veel meer rotzooi op, daarin worden heel veel deeltjes geproduceerd. Vooruitlopend op LHC konden we dan alvast ervaring opdoen met de detectie- en analysetechnieken die nodig zijn om uit al die rommel de interessante gegevens te vissen.

En intussen zou u ook nog een en ander te weten komen over elementaire deeltjes?

Een sterk punt van het D0-experiment waaraan Nederland meedoet, is het bestuderen van B-mesonen, deeltjes met een bottomquark erin. Er waren al wel experimenten om B-mesonen te bestuderen, zoals Babar bij SLAC in Stanford en Belle bij de KEK-versneller in Japan. Maar die experimenten waren alleen gevoelig voor de lichte B-mesonen. De zwaardere B-mesonen, die naast een bottomquark ook een strangequark bevatten of een charmquark, zagen zij niet. En zij zagen evenmin B-baryonen, deeltjes die uit drie quarks bestaan waaronder een bottomquark. Bij het Tevatron worden die wel in grote getale gemaakt in de botsingen, en het meten daaraan hebben we helemaal onder de knie.

Interessant is bijvoorbeeld de verhouding in levensduur van B-baryonen en B-mesonen omdat je daarmee allerlei eigenschappen van het Standaard Model van de elementaire deeltjes kunt uitrekenen. Daarnaast hebben we exotische deeltjes geproduceerd zoals een omegadeeltje met een bottomquark erin of zoiets. Natuurlijk, dat is een beetje tabellenboekwerk omdat je zulke quarkcombinaties vooraf allemaal kunt bedenken, maar het is toch interessant om te weten dat zon deeltje inderdaad bestaat.

Met metingen aan B-mesonen hebben we bovendien, zoals gezegd, een definitieve bevestiging gegeven van het model van Kobayashi en Maskawa, dat de asymmetrie tussen materie en antimaterie in ons universum verklaart. Er waren natuurlijk al metingen aan gedaan, zeg maar, alsof je van een driehoek al de grootte van de drie hoeken kent en de lengte van twee zijden. Maar dan is het toch fijn dat de laatste zijde inderdaad de lengte heeft die je verwacht. Dat betekent dat alle metingen helemaal consistent zijn.

Bij LHC wil een kleiner experiment, LHCb, ook aan B-mesonen gaan meten...

Ja, met name ook aan de B-mesonen met een strangequark erin, waaraan wij nu al zoveel gemeten hebben. Ik heb gehoord dat ze daarom nu ook hun strategie aangepast hebben.

Hoe zit dat met de LHC-strategie voor het Higgsdeeltje? Indirect volgt uit de precisiemetingen bij het Tevatron dat de Higgs relatief licht is...

Als het Higgdeeltje licht is, en daar heeft het alle schijn van, dan zullen we het niet kunnen meten via het relatief goed herkenbare verval in een W- en Z-deeltje (de dragerdeeltjes van de zwakke kracht) maar via het verval in bottomquarks, charmquarks en tau-leptonen - gewone huis-tuin-enkeukendeeltjes, waarvan er bij de botsingen in de LHC-versneller vele miljoenen per seconde worden gemaakt. En daar moet je dan die exemplaren uitvissen die voortkomen uit het verval van de paar Higgsdeeltjes die per week gemaakt worden. Over dat probleem wordt nu natuurlijk nagedacht.

Het ontstaat mede doordat de LHC is berekend op het vinden van een zwaardere Higgs en juist daarom zo krachtig is gemaakt. Is dat niet een enorme overkill?

Nee, want ten eerste zal de LHC-versneller in het begin toch al bij een lagere energie draaien, wat voor dit geval gunstig is. Maar bovenal: je moet ook vooruitdenken. Een lichte Higgs is veel lastiger in te passen in het Standaard Model van elementaire deeltjes dan een zware Higgs. En dat betekent dat er nieuwe deeltjes of aanvullende mechanismen nodig zijn om de hele zaak weer recht te trekken. Supersymmetrische deeltjes bijvoorbeeld.

Kijk, je kunt niet zeggen: omdat de Higgs licht is, moeten er supersymmetrische deeltjes zijn. Maar zulke supersymmetrische deeltjes zouden wel kunnen verklaren waardoor de Higgs zo licht is.

Wat we nu weten is dat de Higgsmassa met zeer grote waarschijnlijkheid tussen de 114 en 163 GeV ligt, en eerder nog tussen de 114 en 140 GeV. Daaruit kun je afleiden dat zulke nieuwe deeltjes of mechanismen moeten opduiken ergens in het energiegebied tussen de 10 en 1.000 TeV (Tera-elektronvolt), en een deel van dat gebied wordt bestreken door de LHC-versneller. Stel dat we daar inderdaad iets nieuws vinden... Dat lijkt me mooier dan die langverwachte Higgs ontdekken.

Intussen sluiten bij het Tevatron de netten rond de Higgs...

Ja, maar we hebben het Higgsdeeltje nog niet gezien. En zelfs als we tot 2011 mogen doormeten zal dat misschien maar net lukken. Eigenschappen ervan, zoals de massa, kunnen we bij het Tevatron zeker niet bepalen. Daarvoor moet je veel Higgsdeeltjes waarnemen, en dan heb je echt een machine als LHC nodig, die heel soepel Higgsdeeltjes produceert.

Toch roept Fermilab dat de Higgs in de buurt is. Is dat een pr-strategie? Het instituut wordt zwaar getroffen door bezuinigingen.

Nou, zelfs als ze iets langer mogen doormeten, is dat vooral uitstel van executie, want het gaat gewoon erg slecht met de hoge-energiefysica in de VS. Op SLAC bij Stanford, ooit wereldleider op dit terrein, is het laatste experiment, Babar, in 2008 gestopt. Het Tevatron bij Fermilab is nu de laatste serieuze deeltjesversneller van de VS.

Hoe komt dat?

Tot zon twintig, dertig jaar geleden hebben de kern- en hoge-energiefysica geprofiteerd van de Koude Oorlog. Er was daardoor genoeg geld om verschillende labs overeind te houden: SLAC, Fermilab en Brookhaven bij New York. Maar toen het slechter ging, zijn die labs elkaar gaan bevechten om geld. Daar gingen ze mee door toen de geldkraan nog verder werd dichtgedraaid en dat bleven ze doen tot het bittere eind. En toen lagen er twee doden en een zwaargewonde op de prairie.

Europa heeft dat veel beter gedaan door te kiezen voor samenwerking in CERN.

Maar intussen slepen de VS misschien wel die Nobelprijs voor de voeten van Europa weg door toch die Higgs te vinden?

Nee, de kans daarop is nul. Het is anders dan destijds bij de ontdekking van de W- en Z-deeltjes, die je echt nog kon toeschrijven aan het vernuft, de ideeën en het doorzettingsvermogen van Simon van der Meer en Carlo Rubbia. (Nobelprijs 1984).

Nu zou het gaan om een prestatie van het hele experimentele veld, een resultaat waarvoor duizenden mensen zich hebben ingezet. En die krijgen niet allemaal samen de Nobelprijs.

Voor de credits zou het sowieso niet veel uitmaken, want er zijn genoeg fysici die tegelijk aan de experimenten op CERN werken en medeverantwoordelijk zijn voor de metingen op Fermilab.

Sijbrand de Jong De bloemist op de hoek kent wel de LHC-versneller, maar heeft nog nooit van het Tevatron gehoord In een deeltjesversneller worden protonen (positief geladen kerndeeltjes) of elektronen tot bijna de lichtsnelheid en tot hoge energie versneld. In een collider zoals de LHC-versneller bij CERN of het Tevatron bij Fermilab, botsen deze deeltjes op hun evenknieën of op tegenhangers van antimaterie (antiprotonen of positronen) die in tegengestelde richting bewegen. Bij de botsingen komt heel kort en heel lokaal een enorme hoeveelheid energie vrij. Daaruit ontstaan nieuwe deeltjes (energie en massa zijn immers equivalent, merkte Einstein op). Bestudering van die deeltjes geeft informatie over de fundamentele bouwstenen van de kosmos. Die bouwstenen van de kosmos zijn ondergebracht in het zogeheten Standaard Model. Het onderscheidt twee groepen. De ene groep bestaat uit quarks, waarvan zes varianten bestaan. De lichte quarks (up en down geheten) liggen aan de basis van protonen en neutronen. Van atoomkernen dus, en daarmee van de materie zoals wij die kennen. Zwaardere quarks (charm, strange, bottom en top) vormen in combinaties van twee of drie quarks meer exotische deeltjes, die meestal snel vervallen tot meer doorsneematerie. De tweede groep bestaat uit leptonen: uit het elektron en zijn zwaardere broers, het muon en het taudeeltje, en uit drie neutrinosTen slotte zijn er in het Standaard Model ook deeltjes die de krachten uit de natuur overbrengen, zoals de W- en Z-deeltjes van de zwakke kracht die een rol speelt bij kernfusie en radioactief verval. Gluonen dragen de sterke kracht over die de quarks in deeltjes samenbindt. Fotonen, lichtdeeltjes, worden uitgewisseld bij de elektromagnetische kracht. De massa van deeltjes wordt uitgedrukt in energie-eenheden (de lichtsnelheid wordt 1 gesteld). De gebruikte energie-eenheid is het elektronvolt. In het Tevatron botsen protonen op antiprotonen. In de LHC botsen protonen op protonen. Dat is vooral een technisch verschil. Het Tevatron heeft een omtrek van 6,3 kilometer, die van LHC is 27 kilometer. In LHC worden de deeltjes versneld tot 7 TeV (Tera-elektronvolt), in het Tevatron tot 1 TeV. Wegens de lange omtrek en de hoge energie zijn er in de LHC veel meer magneten dan in het Tevatron; dat maakt de LHC storingsgevoeliger.