Higgs of niks - Margriet van der Heijden

De krachtigste deeltjesversneller op aarde is bijna klaar

Duizenden fysici, miljarden euros, zeventien jaar plannen, succes en tegenslagen. De LHC-versneller bij het CERN in Genève is bijna klaar. Wat gaan ze vinden? En belangrijker nog: wat dan?

Margriet van der Heijden

Nee, niet iedereen durft naar het uiteinde van het platformpje te lopen. Laat staan daar over het hek naar beneden te kijken. Want het gapend gat waar dit platform als een duikplank boven hangt, is echt diep: de harde betonnen vloer beneden ligt honderd meter lager. Hij loopt, vanaf boven onzichtbaar, door naar een grote holte. Daar staat de ATLAS-detector, een van de vier enorme detectoren die vanaf eind volgend jaar bij het Europees onderzoeksinstituut voor deeltjesfysica, het CERN bij Genève, nieuwe natuurkundige ontdekkingen moeten gaan doen. De afgelopen jaren zijn de onderdelen van ATLAS een voor een door de diepe schacht naar beneden gehesen.

Voor mensen zijn er liften om af te dalen naar dit immense rood en blauw en oranje apparaat. Helmen zijn verplicht - er kunnen schroevendraaiers naar beneden vallen of erger - net als schoenen met stevige neuzen. Want zelfs op de twaalf verdiepingen tellende steigers rond de twintig meter hoge detector kun je makkelijk ergens achter blijven haken. Ik kreeg net een mail dat er iemand in de pit zijn been heeft gebroken, zegt hoogleraar Stan Bentvelsen, die de bijdrage aan ATLAS van het Nederlandse onderzoeksinstituut voor deeltjesfysica, het NIKHEF in Amsterdam, coördineert.

Wie het gekrioel ziet van mensen die op en onder en in ATLAS klauteren, kan zich daar iets bij voorstellen. Overal wordt nog gesleuteld en geschroefd en doorgemeten. Want de kracht van deze mammoetdetector zit niet per se in zijn afmetingen, maar vooral ook in zijn fijne details. In de duizenden minuscule siliciumpixels die straks voorbij razende deeltjes moeten registreren. In de duizenden dunne draden die om dezelfde reden tot op tientallen micrometers (duizendste millimeter) nauwkeurig zijn opgespannen. In de elektronica met structuren van luttele honderden nanometers (miljoenste millimeter). En in al die miljoenen kabeltjes en kabels die dan de meetgegevens naar de goede plek moeten sturen.

Voor volgend jaar moeten ze allemaal geïnstalleerd en getest zijn. Liefst in onderlinge samenhang, maar ook stap voor stap. Want zoals de hier intussen gevleugelde uitdrukking luidt: the devil is in the details. Eén achtergebleven, rondslingerend boutje kan, als de krachtige magneet in de detector aangezet wordt, een groot deel van de detector om zeep helpen.

Of dat voor slapeloze nachten zorgt? Nou, ik lig wel eens wakker, zegt Bentvelsen, maar dat is niet vanwege de detector. Wat hem wel wakker houdt, zegt hij, is de vraag wat in de ATLAS-detector zal opduiken. Zullen de fysici op CERN het Higgsdeeltje gaan vinden?


Die Higgs zou, met het bijbehorende Higgs-mechanisme, moeten verklaren waarom de fundamentele bouwstenen van onze kosmos, de elementaire deeltjes, een massa hebben. Maar dat Higgsdeeltje, de kroon op het Standaard Model (zie kader) dat al die elementaire deeltjes beschrijft, is intussen zo vaak besproken dat de vondst ervan bijna vanzelfsprekend lijkt.

Maar wat betekent dat als straks de Higgs inderdaad opduikt?, vraagt Bentvelsen zich af. De reactie is dan misschien wel: So what, die Higgs, dat was toch de bedoeling?

En als er niks gevonden wordt? Dat zou bizar zijn, want het Standaard Model staat als een huis. Het zou zijn alsof je een prachtig bouwwerk hebt, en het fundament verpulvert waar je bij staat zonder dat het bouwwerk instort.


Het begint, anders gezegd, spannend te worden. De inzet is hoog, zegt Bentvelsen. En Higgs of niks, een achterliggende zorg is: hoe moeten fysici die hier levensjaren en miljarden ingestoken hebben over een paar jaar verder? Wat komt hierna?

De ATLAS-detector hangt net als de andere drie detectoren in aanbouw aan de 27 kilometer lange, cirkelvormige LHC-versneller. Die ligt diep onder de Pays de Gex, aan de voet van de Franse Jura onder een buitenwijk van Genève. ATLAS ligt aan de zuidzijde van die ring, nog net in Zwitserland. Diametraal ertegenover, onder de flanken van de Jura, ligt het bijna even kolossale CMS-experiment. Aan weerszijden van ATLAS, een achtste cirkeldeel verderop, staan onder de grond nog twee kleinere detectoren: LHCb en ALICE.

Volgend jaar moeten er triljarden protonen (positief geladen kerndeeltjes) met bijna de lichtsnelheid door de twee vacuümbuizen in de LHC-versnellerring schieten. De helft met de klok mee, de andere helft tegen de klok in en in beide richtingen verdeeld in 2800 pakketjes. Wolkjes zijn het eigenlijk, vijf centimeter lang en met een diameter die kan worden samengeknepen tot zestien micrometer (vijf keer dunner dan een haar). Precies in het hart van de vier detectoren, waar de vacuümbuizen steeds tot één buis zijn versmolten, kruisen die tegengesteld reizende pakketjes elkaar.

Lang niet alle elkaar tegemoetkomende protonen botsen. Elke kruising levert ruwweg twintig interessante botsingen op: botsingen waarin de protonen verwoest worden. Maar omdat elk pakketje in elk van die punten ruim 10.000 kruisingen per seconde beleeft, zullen er in de loop van de metingen toch miljarden van zulke botsingen zijn.

En dààr gaat het om. De energie die bij zulke aanvaringen vrijkomt, is zo groot dat er honderden of zelfs duizenden, soms exotische, deeltjes uit ontstaan. (Energie en massa zijn immers equivalent, zoals Einstein zei). En het idee is dat tussen al die deeltjes, die in de detectoren hypersnel geregistreerd worden, misschien ook af en toe zon lang verwachte Higgs zit.

De energie die in die ronddraaiende pakketjes in de versneller zit opgeslagen is even groot als die van vijftig twintigtonners die een vaart van honderd kilometer per uur hebben, zegt versnellerexpert Arjan Verweij. Energie die de onvoorstelbaar minuscule deeltjes niet vanzelf krijgen: Als de LHC-versneller eenmaal draait zal de stroomrekening veruit de grootste kostenpost zijn.

Maar voorlopig is de tunnel nog toegankelijk voor werklieden en bezoekers. De tweeduizend supergeleidende magneten die de deeltjes op koers moeten houden, staan nog uitgeschakeld. Ze zijn, zoals dat hier heet, nog warm. Want als ze staan aangeschakeld, zijn ze serieus koud: ze worden afgekoeld tot een schamele 1,9 graden boven het absolute nulpunt.

Daar is wel 100 ton helium voor nodig, en daarom heeft iedereen hier beneden een voorraadje zuurstof bij zich. En daarom hangen er overal gevarendriehoeken. Het abstracte mannetje daarop laat, sneu onderuitgezakt, zijn hoofd hangen: als helium weglekt, bestaat de kans op bedwelming.

Kijk, wijst Verweij, in de verte zie je de tunnel afbuigen. Volmaakt cirkelvormig is de tunnelbuis niet. Tussen acht gekromde sectoren, elk drie kilometer lang, zitten ook acht rechte stukken van een halve kilometer lengte.

Ze hebben verschillende functies. Op een stuk jagen elektromagnetische velden de protonen op, met elke keer een duwtje in de rug. Op twee andere stukken schrapen magneten de protonen weg die naar de wanden van de bundelpijpen uitwaaieren, en die daar schade en oververhitting zouden veroorzaken. Bij een vierde stuk staan enorme blokken grafiet, gevat in beton, om de protonen op te vangen als de versneller acuut moet worden stilgelegd. En in de overgebleven vier gedeelten, ten slotte, worden de bundels gefocusseerd (samengeknepen) en naar de kruisingen in de experimenten geleid. In de gekromde sectoren staan de supergeleidende magneten die ervoor zorgen dat de protonen niet uit de bocht vliegen.

En alweer zijn het niet alleen de superlatieven die ontzag wekken - de sterke magneetvelden (8,4 tesla), de twaalf miljoen liter stikstof - maar ook de fijne details. Verweij heeft een soepel strookje bij zich van het materiaal waaruit de magneten zijn gewikkeld. Ultradunne draadjes van supergeleidend materiaal liggen er in koper ingebed. Verweij: Hoe dunner de draadjes, hoe preciezer je het magneetveld kunt regelen. En het omringende koper voert bovendien overtollige warmte af. Maar het trekken van zulke draadjes uit een groot blok materiaal en de verwerking tot kabels duurde bij elkaar 8 jaar.

Nog zon detail: als de versneller wordt afgekoeld naar een paar graden boven het absolute nulpunt, dan krimpt hij 80 meter. Dat moet tussen de magneten en stukken bundelpijp allemaal evenwichtig worden opgevangen.

Het wordt spannend, als volgend jaar de LHC-versneller wordt opgestart, beaamt de Vlaamse Karel Cornelis achter een beeldscherm in de gloednieuwe bovengrondse controlekamer, het Houston van de versnellers, zeg maar. En het wordt, zegt de man die al jaren versnellers bedient, heel anders dan bij het opstarten van de vorige grote versnellers zoals SPS en LEP. Toen gebruikten we beproefde technologie. En konden we zonodig meteen aan de moeren en bouten draaien. Nu zijn alle magneten helemaal ingepakt in de zware en moeilijk toegankelijke behuizing van de koeling. En de technologie is nooit eerder op deze schaal toegepast.

Of er toch, ondanks allerlei vertragingen, voor het einde van het volgend jaar serieus op de Higgs kan worden gejaagd? Dat is wat de directie heeft gezegd, antwoordt Cornelis diplomatiek.

Slapeloze nachten? Nee, die heb ik niet, zegt Gerard Faber in een grote loods even buiten het Franse dorpje Cessy. Negentig meter onder de vloer ligt alweer een ondergrondse holte. Het is de pit van de CMS-detector, de tegenhanger van ATLAS waarmee, in competitie, ook op de Higgs wordt gejaagd. Faber, die al achttien jaar op Cern werkt, coördineert alle logistieke operaties die nodig zijn om de CMS-detector in elkaar te zetten. Allemaal zaken die je gewoon van te voren kunt berekenen, zegt hij laconiek.

De werkwijze is heel anders dan bij ATLAS. Die detector wordt grotendeels onder de grond in elkaar geschroefd, uit betrekkelijk kleine onderdelen die afzonderlijk naar beneden worden gehesen. CMS wordt juist vooral bovengronds, in de loods, gebouwd. De zware, industriële kraan bovenin de loods takelt daarna de grote onderdelen van de detector naar beneden. Zoals het vijftien meter hoge wiel vol meetapparatuur waar nu nog Amerikaanse en Pakistaanse technici aan sleutelen. Eenmaal beneden zal het rond een twintig meter lange cilindervormige magneet worden geschoven. Alsof het bij deze detector om een groot uitgevallen 3D-puzzel gaat.

En nee, dat puzzelen heeft hem nog nooit uit de slaap gehouden, zegt Faber nogmaals. Zelfs niet toen de magneet, met bijna 2000 ton (vijf jumbo-jets) het zwaarste onderdeel, naar beneden gehesen werd. En toen er, door afwijkingen van het ontwerp, speling in de hijskraan en een onverwachte pijpleiding onderin de pit, maar één enkele centimeter speling over was in de schacht. Want: dat hadden we dus precies goed berekend.

Dat er twee grote detectoren worden gebouwd is niet om mensen bezig te houden. Het bewijs voor een eventuele Higgs is pas overtuigend als twee onafhankelijke experimenten het deeltje vinden. Daarom ook lijken de detectoren niet op erg elkaar.

Natuurlijk, beide detectoren zijn zo hermetisch mogelijk. Ze laten geen deeltje ontsnappen om daardoor zo goed mogelijk te kunnen reconstrueren wat tijdens een botsing gebeurt. Beide detectoren bevatten onderdelen om de identiteit van deeltjes vast te stellen. Beide kunnen de vertakkingen in de deeltjessporen vastleggen, die ontstaan waneer een deeltje in twee of meer andere deeltjes uit elkaar valt. In beide buigen sterke magneetvelden de geladen deeltjes een beetje af. (Uit die afbuiging kunnen de energie en de snelheid van deeltjes worden afgeleid.) En ten slotte, hebben beide een ingenieus systeem van supersnelle elektronica en gegevensverwerking om uit de miljoenen botsingen per seconde direct de honderd potentieel interessante kandidaten te vissen.

Maar de verschillen in vorm en rangschikking van de onderdelen springen ook in het oog. Ze hebben te maken met basisprincipes. Met het gebruik van verschillende magneten bijvoorbeeld, die voor magneetvelden zorgen met heel andere oriëntaties en reikwijdtes. En die daarmee de logica van de andere onderdelen vastleggen.

Als ATLAS mousse-au-chocolat is, dan is CMS een flan. Anders gezegd: ATLAS is groter (20 meter hoog, veertig meter lang en 7000 ton), maar ook lichter dan CMS (vijftien meter hoog, twintig meter lang en 12.500 ton). In ATLAS zit lucht; er zijn kruip-door-sluip-doorgangetjes. In CMS niet. Daar aan sleutelen gaat straks alleen nog als de puzzelstukken eerst weer van elkaar geschoven worden.

Het is bijna avond als Faber de loods weer uitstapt. Sluiers van witte wolken hangen over de hellingen van de Jura. De bewoners aan de rand van Cessy missen alweer hun uitzicht op de Mont Blanc in het avondlicht: de grote CMS-loods staat recht in hun zichtlijn.

De landelijke Pays de Gex is er niet mooier op geworden, de afgelopen twintig jaar. Er breidde een schimmel over uit van shopping malls, tuincentra, bouwmarkten en appartementencomplexen voor Zwitsers en werknemers van internationale, wereldwijde organisaties. Zoals CERN. Want als straks de LHC-versneller echt gaat werken, is het de krachtigste versneller op aarde. Waar ook Amerikanen en andere niet-Europese fysici steeds vaker aan mee zijn gaan werken. Er zijn nu 8000 fysici bij de CERN-experimenten betrokken. De helft van alle hoge-energiefysici wereldwijd, zegt CERN-voorlichter James Gillies.

Wat zullen zij over een paar jaar in handen hebben? En waarop zullen zij hun energie dan richten? Het zijn terugkerende vragen - tussen de middag, bij de crêpe au saumon in het CERN-restaurant en s avonds bij de beste Italiaan van Meyrin.

Ook theoretici weten uiteindelijk niet wat we gaan vinden, zegt de een. De Higgs biedt gewoon het meest waarschijnlijke scenario, zegt een ander. En Bentvelsen denkt dat we in elk geval iets vinden. En in het mooiste scenario is dat iets heel onverwachts en nieuws. Tegelijk maakt hij zich zorgen. Zijn we daar dan op voorbereid? En hebben we niet veel teveel beloofd met van die spectaculaire, alternatieve scenarios?

Vooral in de Verenigde Staten zijn er, vinden sommigen, in de lange aanloop naar de nieuwe experimenten veel te grote verwachtingen gewekt. Bentvelsen: Dat we mini-zwarte gaten zouden maken. Extra dimensies zouden kunnen vinden. Nieuwe supersymmetrische deeltjes. Droomscenarios die ook nog de donkere materie in het heelal moeten verklaren.

Als dan alleen maar die Higgs opduikt, wordt dat misschien niet alleen schouderophalend begroet, vreest hij. Straks is het - onterecht, maar toch - zelfs een teleurstelling. En kijk, daar heb ik nou slapeloze nachten van.

Twee detectoren moeten allebei Higgs zien Het Standaard Model herleidt de materie in onze kosmos tot simpele bouwstenen. De honderden verschillende materiedeeltjes die in kaart zijn gebracht, worden in dit model teruggevoerd op zes quarks (zogeheten up- en downquarks vormen samen bijvoorbeeld de protonen en neutronen in atoomkernen), op zes leptonen (het elektron is het bekendste lepton) en op dragerdeeltjes die krachten overbrengen. Anders gezegd: het model beschrijft hoe alle materie is opgebouwd uit quarks en leptonen en hoe alle materiedeeltjes met elkaar in wisselwerking treden via dragerdeeltjes. Ook die wisselwerkingen - via de elektromagnetische, de zwakke en de sterke kernkracht -worden in het model beschreven. De voorspellingen van het Standaard Model zijn tot bijna onvoorstelbare precisie geverifieerd in experimenten. Maar het model beschrijft niet alles: het beschrijft de zwaartekracht niet en maakt, tot dusver, ook niet duidelijk waarom deeltjes als quarks en leptonen überhaupt een massa hebben. Het mechanisme dat dat laatste wel kan verklaren, het Higgs-mechanisme, zou de kroon op het model kunnen worden. Voor details, zie bijvoorbeeld: http://particleadventure.org/

Foto-onderschrift:

Twee detectoren in de 27 kilometer lange LHC-versneller moeten uiteindelijk de resultaten van botsingen tussen elementaire deeltjes vastleggen. De ATLAS- en de CMS-detectoren (onder resp. boven) zijn bijna klaar. Ondertussen oefenen de fysici in de analyse van de meetgegevens. Daartoe simuleren ze de te verwachten meetpatronen in de dradenkamer van de CMS (linksonder).

Higgs of niks

Margriet van der Heijden

De afgelopen jaren zijn er miljarden gestoken in de LHC-versneller bij het Europees centrum voor deeltjesonderzoek, het Cern. De komende jaren moet daar het Higgs-deeltje worden opgespoord. Maar de investeringen leveren het meest op als de Higgs niet opduikt, vindt Bruce Knuteson, onderzoeker aan het MIT in de Verenigde Staten. Hij schrijft dat in een artikel waarin hij de waarde van experimenten uit de deeltjesfysica probeert te kwantificeren (arXiv: 0712.3572v1).

Het gaat hier over big science. Over miljarden kostende experimenten die doelgericht jagen op specifieke deeltjes. Over een veld waarin weinig aan het toeval overgelaten schijnt te worden. Maar juist verrassende resultaten leveren de meeste nieuwe kennis op, aldus Knuteson. Ofwel: het gaat niet om eureka (ik heb gevonden), maar om thats funny (dat is vreemd), zoals de bekende fysicus Isaac Asimov eens zei.

Om dat in getallen uit te drukken, borduurt Knuteson verder op de klassieke informatietheorie van Shannon. Je moet vaststellen, schrijft hij, hoezeer de mogelijke uitkomsten van een meting onze onzekerheden verkleinen én onze kennis vergroten. Met allerlei formules komt hij vervolgens tot een bang per buck, tot kenniswinst per geïnvesteerde duizend dollar.

Ter illustratie rekent Knuteson daarna aan eerdere metingen. Zoals bij de grote LEP-versneller van Cern, waarin de langverwachte Z-deeltjes boven water kwamen. Ze leverden minder bang per buck op, constateert hij, dan de betrekkelijk kleine experimenten die toevallig op het tau- en het j/psi-deeltje stuitten.

Onzin, vindt deeltjesfysicus Stan Bentvelsen, die het Nederlandse aandeel in de jacht op de Higgs coördineert. Ik denk dat zulke schijnbare kwantitatieve benaderingen de discussie alleen maar vertroebelen. Want in feite zit er een enorme willekeur in de definitie van verwachtingen en voorspellingen. En wat mij betreft is de ontdekking van het (verwachte) Z-deeltje minstens zo belangrijk als die van het (onverwachte) tau-deeltje.

Ook Frank Linde, directeur van het Nederlands instituut voor deeltjesonderzoek (NIKHEF), is stellig. Natuurlijk had ik graag bij LEP ook andere ontdekkingen gedaan dan de Z-deeltjes. Maar dat is geklets achteraf, zegt hij En dat is nu net het probleem.


Higgs of niks

Paul de Jong Nikhef, Amsterdam

Bij deze wil ik graag een opmerking maken over het stukje Higgs of niks (W&O 2 februari). Het artikel van Bruce Knuteson dat hierin wordt aangehaald wil niet alleen de pay-off van experimenten in het verleden meten, maar ook de mogelijke pay-off van toekomstige experimenten kwantitatief inschatten, informatie die een rol zou kunnen spelen in beslissingen over financiering. Afgezien van het feit dat Knuteson hierbij tamelijk willekeurige inschattingen moet maken van de a-priori waarschijnlijkheid dat experimenten bepaalde uitkomsten gaan hebben, lijkt het artikel te suggereren dat onverwachte resultaten meer waard zijn dan verwachte resultaten. Echter, resultaten kunnen slechts onverwacht zijn bij de gratie van het bestaan van resultaten die wel verwacht zijn. Alleen als theoretische voorspellingen (meestal) uitkomen, kan een onderliggende theorie of model aangenomen worden en kan men spreken van begrip. Als een meerderheid van resultaten `onverwacht` zou zijn, is er geen sprake van begrip, maar slechts van een verzameling losse feitjes. Als deeltjesfysicus zou ik het daarom schitterend vinden als bewezen zou worden dat het Higgs-boson niet bestaat, maar ben ik net zo blij als het Higgs-boson wel wordt gevonden.