Deeltjesversnellers op de keukentafel

11 februari 1995
MARTIJN VAN CALMTHOUT

De huidige deeltjesversnellers zijn waarschijnlijk de grootste die te bouwen en financieren zijn. Vanwege die grenzen zoeken deeltjesfysici daarom naar onorthodoxe alternatieven. Met krachtige lasers zijn de eerste opzienbarende resultaten geboekt.

HEBBEN DE kathedralen van de moderne mens, de deeltjesversnellers, hun langste tijd gehad? Hebben hoge-energiefysici binnen enkele decennia wel zo ongeveer alles gezien wat er te zien is met de huidige en toekomstige deeltjesbotsers? Erg veel groter dan het grootste wat er nu al ligt, de 27 kilometer lange LEP-versneller bij Genève, kunnen versnellers niet meer worden.

Als het debâcle van eind 1993 met de Texaanse SSC-versneller iets heeft aangetoond,
dan is het dat de dromen van de moderne fysicus onbetaalbaar beginnen te worden. De versneller had een tunnelbuis van zo'n 84 kilometer moeten krijgen. Het zou het grootste wetenschappelijke instrument zijn geworden dat de mensheid ooit heeft gebouwd. In de versnellerbuis zouden protonen met immense energie voortgejaagd worden tot ze op andere deeltjes botsten. Uit de brokstukken energie en materie die daarbij ontstaan, zou af te leiden zijn geweest wat de verwantschap is van zeker drie van de vier fundamentele natuurkrachten.

Maar het Amerikaanse Congres vond de vijftien miljard dollar die daarvoor nodig was toch wat veel van het goede. Het budget zou alle andere research wegdrukken.

Eind vorig jaar haalden de deeltjesfysici even opgelucht adem, toen in Genève een overeenkomst werd getekend waarin de financiering van een nieuwe Europese versneller werd vastgelegd, de Large Hadron Collider (LHC). Die wordt in de 21 kilometer lange tunnel van de LEP-versneller bij Cern in Genève gebouwd, wat de kosten al aanzienlijk drukt. De maximaal haalbare deeltjesenergie zal er minder zijn dan in SSC, maar dat wil men best voor lief nemen.

Wat, echter, als ook de uiterste mogelijkheden van de LHC zijn uitgeput? Als alle nieuwe natuurkunde die met de immense energie is te bestuderen, bestudeerd is? Een nog grotere versneller is niet alleen onbetaalbaar, echt interessante nieuwe natuurkunde vergt volgens de huidige inzichten zoveel meer energie, dat de gedroomde versneller van de volgende eeuw de hele wereld zou moeten omspannen. Of nog veel meer.

Sinds enkele jaren beginnen natuurkundigen te beseffen dat er grenzen zijn aan de technieken die algemeen worden gebruikt om deeltjes te versnellen. En sinds kort beginnen er ook publikaties te verschijnen waarin over alternatieven wordt nagedacht.

Eind januari, bijvoorbeeld, verscheen in het Amerikaanse vaktijdschrift Physical Review Letters een artikel van drie groepen onderzoekers die elektronen versnellen met een krachtige laser. Dat dat in theorie mogelijk is, kan iedere natuurkundestudent met enige handigheid uitleggen. Maar experimenteel was het nog nooit aangetoond.

De meest gangbare deeltjesversnellers zijn cyclosynchrotrons, ook wel kortweg sychrotrons genoemd. Ze berusten op het gegeven dat een geladen deeltje (een elektron of een proton) in een magnetisch veld een cirkelbaan probeert te beschrijven, terwijl een elektrisch veld hem in de bewegingsrichting versnelt. De combinatie van beide velden - door de versnellerbuis te leiden langs sterke magneten en door de deeltjesbundel met sterke microgolfzenders steeds meer energie te geven - jaagt deeltjes gemakkelijk op tot dichtbij de lichtsnelheid.

Deze klassieke techniek kent zijn beperkingen. De magneten kunnen niet voortdurend sterker worden gemaakt om de voortrazende deeltjes nog in hun baan te houden. De kromming van een superversneller is daardoor beperkt en dus wordt de ring groter als er hogere energieën worden gebruikt.

Maar een nog groter probleem is dat de elektrische velden voor het opjagen van de deeltjes aan een maximum zijn gebonden. Wordt het veld te sterk, dan trekt het in de materialen van de versnellerbuis spontaal elektronen uit de atomen. Dan springen letterlijk de vonken in het rond, de nachtmerrie van elke hoge-energiefysicus.

In het artikel in Phys.Rev.Letts laten W. Kimura van het laserinstituut STI Optronics in Bellevue en collega's van Brookhaven National Laboratory en de universiteit van Californië zien dat het ook heel anders kan. Hun resultaten zijn zo opmerkelijk, dat het Britse weekblad Nature er vorige week een commentaar aan wijdde.

Kimura versnelt elektronen met een laser. Zijn experiment berust op wat in de leerboekjes het Cherenkov-effect wordt genoemd. Elk medium, of het nu een gas, een vloeistof of een transparante vaste stof is, heeft een maximale snelheid waarmee informatie kan worden overgedragen, de plaatselijke lichtsnelheid. Die is altijd kleiner dan de lichtsnelheid in vacuüm.

Wanneer een elektron een atoom in het medium passeert, kan het daarmee lichtdeeltjes, fotonen, uitwisselen. Beweegt het elektron echter sneller dan de plaatselijke lichtsnelheid, dan blijft de consternatie die het heeft veroorzaakt in het medium achter. Er ontstaat een soort schokgolf, zoals bij een vliegtuig dat sneller vliegt dan het geluid.

In dit geval is de schokgolf zichtbaar als een diffuus blauw licht in het medium, het Cherenkov-licht. Het wordt, zo rekende de Russische fysicus Pavel Cherenkov in 1938 als eerste uit, achterwaarts onder een specifieke kleine hoek uitgezonden ten opzichte van de baan van het elektron.

Kimura draait het proces nu om, en in theorie is er niets dat dat verbiedt. Wanneer onder de specifieke Cherenkov-hoek licht van de juiste golflengte op een deeltje wordt geschoten dat door een medium voort ijlt, moet dat deeltje die energie kunnen opnemen en sneller gaan bewegen. De kunst is alleen, dat ook in praktijk te brengen.

De Amerikaanse onderzoekers gebruiken daarvoor een heel precies berekende lens, een axicon genoemd, met een gat in het midden waar de bundel elektronen wordt aangevoerd. Die lens focusseert licht uit een laser onder de goede hoek - ongeveer een graad - in een gebied met een lengte van ongeveer twaalf centimeter. Het geheel is ondergebracht in een tank met heliumgas onder druk, dat als medium fungeert.

Op de twaalf centimeter in de gastank gebeurt iets wat versnellerbouwers als muziek in de oren klinkt. Wanneer de onderzoekers een bundel elektronen door de gefocusseerde laser sturen, meten ze daarna elektronen die tot 3,7 mega-elektronvolt meer bewegingsenergie hebben dan toen ze binnenkwamen. De laser die ze voor die versnelling gebruiken, heeft een vermogen van 500 megawatt. Dat is niet iets wat in elk laboratorium staat, maar ook weer niet zo heel uitzonderlijk.

Op zichzelf is de geboekte versnelling kinderspel, vergeleken met de energieën van duizenden mega-elektronvolts die in de grote versnellers worden bereikt, maar het is de schaal die verbazingwekkend is. In geen enkele conventionele versneller wordt per meter een zo grote energiewinst bereikt als de hier bereikte 35 MeV per meter.

De Amerikaanse onderzoekers rekenen uit dat een echt zware laser (met pieken van 100 miljoen watt en een brandpuntgebied van twintig centimeter lang) versnellingen tot enkele honderden MeV per meter moet kunnen bereiken. Zet voldoende van zulke laserversnellers achter elkaar, en het resultaat is een deeltjesversneller die per strekkende meter krachtiger is dan alles wat er met bestaande technieken te bouwen valt.

Versnellers zouden de huidige maximale energieën niet langer bereiken na tientallen kilometers, maar al na honderden meters. Wat de winst is, laat zich niet gemakkelijk uitrekenen. Maar vast staat dat de huidige versnellers grofweg recht evenredig met hun lengte duurder worden.

Maar zover is het voorlopig nog even niet. Om echt een zinvolle stap voorwaarts te maken, zo berekent Nature in zijn commentaar, zouden zo'n tienduizend zware laserversnellers achter elkaar moeten worden gezet. Het lijkt niet erg waarschijnlijk dat dat de belastingbetaler en diens vertegenwoordigers zal aanspreken.

Kimura's nieuwe techniek lijkt vooral enkele technologische toepassingen te kunnen krijgen. Zo biedt het principe de mogelijkheid om een deeltjesversneller op keukentafelformaat te bouwen. Zulke apparaten zouden hun nut kunnen bewijzen in het opwekken van röntgenstraling in ziekenhuizen. Ook in de micro-elektronica, waar deeltjesbundels worden gebruikt om patronen in halfgeleiders te schrijven, is het gebruik van compacte elektronversnellers goed denkbaar.

Martijn van Calmthout