De laatste deeltjesversneller

Na een onderhoudsperiode van twee jaar is de Large Hadron Collider vorige week weer aangezet. Op het moment dat je dit leest, vliegen protonen met ruim 99% van de lichtsnelheid door de ijskoude (-269 °Celsius) tunnel in het grootste en duurste natuurkundige experiment ooit. De vorige periode dat de deeltjesversneller draaide, werd het lang verwachte Higgs boson ontdekt). Maar wat hoopt men nu dat er gevonden wordt? En wat komt er na de LHC? De kans is namelijk groot dat de LHC de laatste grote deeltjesversneller zal zijn. Een nog grotere versneller zal op grote logistieke problemen stuiten en recente theoretische vooruitgang zou de deeltjesversneller in het geheel overbodig kunnen maken.

De jaren ’60 en ’70 van de vorige eeuw waren gouden jaren voor de deeltjesfysica. Met behulp van nieuwe wiskundige inzichten werd een omvangrijke theorie opgesteld die bijna alle vormen van materie kon verklaren: het Standaardmodel. Het Standaardmodel voorspelde onder andere dat er deeltjes bestonden die op dat moment nog niet waargenomen waren. Deze deeltjes hebben een grote massa en Albert Einsteins beroemde formule E=mc2 vertelt ons dat er ook heel veel energie nodig is om ze waar te nemen.

De jaren ’60 en ’70 van de vorige eeuw waren gouden jaren voor de deeltjesfysica

Om omstandigheden te creëren waarin deze energieën voorkomen, werden deeltjesversnellers bedacht. In een deeltjesversneller worden – what’s in a name - deeltjes tot hoge snelheden versneld om ze dan met elkaar te laten botsen: hierbij komen de benodigde grote hoeveelheden energie vrij. In steeds grotere versnellers werd het ene na het andere deeltje van het Standaardmodel ontdekt, tot de onderzoekers van de LHC, de grootste versneller tot nu toe, de vondst van het Higgs boson bekend maakte. Dit was het laatste puzzelstukje van het Standaardmodel. Veertig jaar na het ontstaan van de theorie waren alle voorspellingen uitgekomen:  in de tussentijd werden twaalf Nobelprijzen uitgereikt aan zowel theoretische als experimentele natuurkundigen die hieraan hadden bijgedragen.

De hoop was echter dat de LHC meer zou laten zien dan alleen maar deeltjes uit het Standaardmodel. De vondst van het Higgs boson was een belangrijke experimentele doorbraak, maar eigenlijk ging vrijwel de hele natuurkundige gemeenschap er al van uit dat het deeltje bestond, simpelweg omdat de rest van het Standaardmodel zo goed werkt. We weten dat het Standaardmodel geen complete beschrijving van de natuur is: zo is het niet mogelijk om de zwaartekracht in te passen in de theorie.

Veel natuurkundigen hadden gehoopt dat er zogenaamde ‘supersymmetrische’ deeltjes zouden worden waargenomen: deze deeltjes worden voorspeld door theorieën die verder gaan dan het Standaardmodel. Dit is tot op heden niet gebeurd en deze theorieën worden minder en minder waarschijnlijk naarmate er geen vondsten worden gedaan. Aanhangers van Supersymmetrie klampen zich nog altijd vast aan de theorie, maar als er tijdens deze run van de LHC niets wordt gevonden, zal het doek toch echt vallen. Niet alleen voor Supersymmetrie, maar waarschijnlijk ook voor de deeltjesversneller zelf.

Als er de komende jaren geen nieuwe natuurkunde wordt waargenomen, is onmogelijk om de bouw van een nog grotere versneller te rechtvaardigen

Als er de komende jaren geen nieuwe natuurkunde wordt waargenomen, zal het namelijk onmogelijk zijn om de bouw van een nog grotere versneller te rechtvaardigen. De LHC heeft ruim 5 miljard euro gekost en dit was nog goedkoop, omdat er in de Zwitserse Alpen al bestaande ondergrondse faciliteiten waren. Maar zelfs als er wel nieuwe deeltjes worden gevonden, is de kans klein dat er nog een grotere deeltjesversneller komt.

Het basisprincipe van deeltjesversnellers -  deeltjes zo hard mogelijk op elkaar laten knallen en dan zien wat er ontstaat -  heeft overduidelijk zijn beperkingen: het wordt steeds moeilijker om hardere botsingen te creëren. De meeste van de theorieën die verder gaan dan het Standaardmodel kunnen pas getest worden bij energieën die buiten het bereik liggen van elke deeltjesversneller die ooit gebouwd kan worden. Daarnaast is de LHC met een lengte van 27 kilometer al reusachtig: veel sterkere versnellers zullen simpelweg te groot zijn om te kunnen bouwen. Tenslotte zorgt de economische crisis ook voor een ongunstiger klimaat voor plannen voor nog grotere versnellers.

Wat is dus de toekomst van de deeltjesfysica? Met een vrijwel voltooid Standaardmodel en weinig mogelijkheden om verder te kijken, lijkt deze op het eerste gezicht niet rooskleurig. De verleiding bestaat om te stellen dat dit deel van de natuurkunde ‘af’ is, maar het verleden leert ons dat dit bijna altijd? een overhaaste conclusie is. Ook voor de deeltjesfysica lijkt er hoop te zijn. Er is namelijk een kans dat de sleutel tot nieuwe natuurkunde niet ligt in steeds maar hogere energieën, maar in ‘alledaagse’ systemen bij lage energieën.

In 1997 publiceerde de Argentijnse natuurkundige Juan Maldacena het eerste artikel over de zogenoemde AdS/CFT-correspondentie. Dit is een wiskundig verband dat kan worden gelegd tussen twee verschillende theorieën, waarvan één zich afspeelt bij lage energieën en de andere juist bij hoge. Dit biedt een mogelijkheid om voorspellingen van de hoge-energie theorie te testen in systemen bij lage energie.

Theoretisch zou het mogelijk zijn om voorspellingen over exotische natuurkunde als zwarte gaten te bestuderen door experimenten uit te voeren op een stuk metaal. Dit is allemaal – in het meest gunstige geval -  toekomstmuziek: de theorie over de AdS/CFT-correspondentie staat nog in de kinderschoenen. Deze theorie biedt echter een nieuwe manier van denken: niet langer zo hard mogelijk botsen, maar indirect kijken naar hoge energieën. Het is op dit moment één van de meest innoverende velden in de theoretische natuurkunde, waar vrijwel jaarlijks vooruitgang geboekt wordt.

Tegelijkertijd lijkt de tijd van de deeltjesversneller voorbij. Hoewel de LHC nog een aantal jaar op vol vermogen zal draaien, is de kans klein dat er een opvolger komt. Laten we hopen dat het tijdperk van de deeltjesversneller wordt beëindigd met de ontdekking van natuurkunde buiten het Standaardmodel. Daarna zal de deeltjesfysica het over een andere boeg moeten gooien en wellicht is verdere vooruitgang een stuk dichter bij huis te vinden.

Gerelateerde artikelen
Reacties
Nog geen reacties.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Naar boven