De eerste lezersreis van New Scientist ging naar CERN, het onderzoeksinstituut waar natuurkundigen in 2012 het higgsdeeltje vonden. Een verslag van een fascinerende reis naar de heilige plek van de deeltjesfysica.

De deelnemers bij CERN
De deelnemers aan de New Scientist-reis bij CERN

Op deeltjesfysicainstituut CERN staat de Large Hadron Collider (LHC), het grootste door mensen gebouwde wetenschappelijke experiment aller tijden. Met gigantische apparaten zoeken deeltjesfysici daar naar minuscule deeltjes die met het menselijk oog niet zijn te zien. Sinds 2013 ligt het experiment tijdelijk stil voor onderhoud en upgrades. Lezers en redacteuren van New Scientist konden daarom afdalen tot op de plek waar fysici het higgsdeeltje maakten.

Lichtsnelheid

Een van de deelnemers bestudeert de tentoonstelling bij de controlekamer van CERN
Een van de deelnemers bestudeert de tentoonstelling bij de controlekamer van CERN

Zo’n 100 meter onder de bodem van Geneve zoeven minuscule deeltjes met bijna de lichtsnelheid door een 27 kilometer lange buis. Op vier vooraf uitgekozen locaties knallen die deeltjes op elkaar en spatten uiteen in allerlei brokstukken. Daarbij ontstaan niet alleen kleinere brokstukken, maar soms ook grotere.

Dat is mogelijk omdat de deeltjes met zo’n hoge energie op elkaar botsen, dat een deel van die energie kan worden gebruikt om zwaardere deeltjes te maken. Massa en energie zijn immers eigenlijk hetzelfde, een feit dat Albert Einstein al ontdekte toen hij zijn beroemde vergelijking E = MC^2 opstelde.

Standaardmodel

Deelnemers bekijken de tentoonstelling bij het CMS-experiment
Deelnemers bekijken de tentoonstelling bij het CMS-experiment

Gigantische detectoren speuren tussen die brokstukken naar bewijzen voor het ontstaan van nieuwe deeltjes. In 2012 vonden deeltjesfysici op die manier nog het lang gezochte higgsdeeltje. Dat deeltje was het laatste ontbrekende puzzelstukje uit het standaardmodel, de natuurkundige theorie die alle deeltjes en hun onderlinge interacties in één wiskundige beschrijving samenvat.

Sinds februari 2013 ligt de LHC stil, zodat we tijdens deze unieke reis konden afdalen tot op het niveau van de versnellerbuis. We bezochten drie van de vier experimenten die aan de LHC verbonden zijn. Die vier experimenten zijn de enige plaatsen op de kilometerslange ring waar deeltjes op elkaar botsen zodat nieuwe deeltjes ontstaan.

Paleis op de dam

Een gedeelte van de deelnemers staan samen met reisleider Dafne (in het midden) en New Scientist-redacteur George van Hal (rechts) voor de ATLAS-detector
Een gedeelte van de deelnemers staan samen met reisleider Dafne (in het midden) en New Scientist-redacteur George van Hal (rechts) voor de ATLAS-detector

De eerste detector die we tijdens onze reis aandeden was de ATLAS-detector. ATLAS is de grootste van de vier detectoren en is grofweg het formaat van het paleis op de Dam in Amsterdam. Het is een van de twee bakbeesten die letterlijk alle deeltjes moeten kunnen meten die bij een deeltjesbotsing ontstaan, want ATLAS is een zogeheten ‘general purpose detector’ – een allesvreter, dus.

Omdat CERN een Europees onderzoeksinstituut is, werken aan de vier experimenten mensen van verschillende nationaliteiten. Die nationaliteiten worden keurig over de vier experimenten verdeeld. Het ATLAS-experiment is de thuishaven van Nederlandse onderzoekers. Bij de andere grote detector, de CMS-detector, werken (onder andere) Belgen.

Tijdens ons bezoek stonden we met onze neus bovenop de detector. Dat was leuk, maar had ook een nadeel: het bleek lastig de detector goed op waarde te schatten. Door zijn gigantische afmeting was het namelijk moeilijk het gehele ding goed te zien.

Ontdekking

Deelnemers bij de CMS-detector
Bij de CMS-detector

Veel fotogenieker was de CMS-detector, een iets kleiner, maar veel zwaarder meetinstrument. De CMS-detector is net als ATLAS een deeltjesallesvreter. Ook bij CMS konden we detector van zeer dichtbij bekijken.

In beide gevallen gebeurde dit onder begeleiding van professionele rondleiders. Dat waren (meestal) onderzoekers die zelf ook aan één van de deeltjesfysica-experimenten bij CERN werken.

ATLAS en CMS vonden in 2012 samen het higgsdeeltje, door gigantische hoeveelheden deeltjesmetingen met elkaar te combineren. Daardoor bleek, met de nodige statistiek, het lang vermoedde bestaan van het higgsdeeltje een feit. Beide concurrenten – ATLAS en CMS werkten onafhankelijk van elkaar – vonden bovendien exact hetzelfde deeltje; een extra bevestiging dat fysici het higgsdeeltje inderdaad hadden ontdekt.

Antimaterie

Uitleg in het bovengrondse gebouw van de LHCb-detector
Uitleg in het bovengrondse gebouw van de LHCb-detector

Tijdens deze lezersreis gingen we niet alleen langs bij de grote general purpose detectoren, maar ook bij een meer specifiek meetinstrument. De LHCb-detector, die net als ATLAS en CMS in een honderd meter diepe grot aangesloten zit op de versnellerbuis van de LHC, is namelijk op zoek naar het antwoord op een andere prangende natuurkundevraag: waar is alle anti-materie gebleven? Bij het antwoord op die vraag is het niet nodig alle deeltjes te bestuderen. Alleen die processen zijn van belang waarbij antimaterie ontstaat en zich potentieel afwijkend gedraagt.

Antimaterie is het spiegelbeeld van gewone materie. Het is een goedje dat in principe net zo gewoon is en op dezelfde soort manier ontstaat als de materie waaruit alles in het universum is opgebouwd. Het enige verschil is dat sommige eigenschappen, zoals bijvoorbeeld de lading van de deeltjes, exact tegengesteld zijn.

Alle natuurkundetheorieën die wij kennen, stellen dat antimaterie in principe net zo gemakkelijk moet ontstaan als gewone materie, maar wie rondkijkt in het universum ziet vanzelf dat dat niet het geval is. Om ons heen is (vrijwel) uitstluitend gewone materie te vinden. Hoe dat mogelijk is, weet vooralsnog niemand, maar bij de LHCb-detector hopen ze een antwoord te vinden.

Tijdens de reis stonden niet alleen deeltjesfysica-experimenten op het programma. We hadden ook een viertal colleges van toponderzoekers ingeprogrammeerd. Op de eerste dag beet Stan Bentvelsen, die binnenkort begint als directeur bij het Nederlands deeltjesfysica-instituut NIKHEF, het spits af.

Bentvelsen gaf twee uur lang een prachtige introductie in de deeltjesfysica en het onderzoek aan CERN en stond uitgebreid stil bij de inhoudelijke vragen van onze lezers.

Economie

Jorgen D'Hondt beantwoordt vragen van deelnemers bij het CMS-experiment
Jorgen D’Hondt beantwoordt vragen van deelnemers bij het CMS-experiment

Op die lezing volgde de tweede dag een zeer aangenaam vervolg met een college van Jorgen D’Hondt. Deze Belgische deeltjesfysicus, verbonden aan de Vrije Universiteit Brussel, is sinds kort de nieuwe directeur van het CMS-experiment.

D’Hondt stond in zijn college opnieuw stil bij de basis van de deeltjesfysica, maar ditmaal vanuit een compleet andere invalshoek. D’Hondt legde in concrete, kraakheldere bewoordingen uit hoe deeltjesfysici in feite langzaam maar zeker terugrekenen naar de omstandigheden zoals die bestonden tijdens de oerknal, de geboorte van het universum.

Bovendien had D’Hondt ook veel aandacht voor de vertaalslag naar de maatschappij van het onderzoek dat in CERN gebeurt Hij liet op overtuigende wijze zien hoe fundamenteel onderzoek dat uitsluitend gedreven is door nieuwsgierigheid, uiteindelijk ook een zeer grote maatschappelijke en economische impact kan hebben. Leuk voor ons was bovendien dat D’Hondt na ‘s avonds met ons meegegeten te hebben, de volgende ochtend alweer klaar stond bij zijn CMS-experiment. Daar heeft hij nog enkele uren lang alle vragen van onze lezers over deeltjesfysica, het higgsdeeltje en het CMS-experiment beantwoord.

Supersymmetrie

Theoretisch-fysicus Jan Pieter van der Schaar geeft college
Theoretisch-fysicus Jan Pieter van der Schaar geeft college

Op de één-na-laatste dag volgden nog eens twee colleges. De eerste werd gegeven door deeltjesfysicus Ivo van Vulpen, een van de beste deeltjesdocenten van Nederland. Hij nam de toehoorders, die sowieso al goedbeslagen ten ijs waren gekomen en na de eerste twee dagen al behoorlijk grote deeltjesexperts geworden waren, wat dieper mee het onderzoek in. Zo stond Van Vulpen onder andere uitgebreid stil bij de wiskunde die ten grondslag ligt aan het standaardmodel, zonder daarbij overigens té diep te graven en zijn toehoorders te verliezen.

Het laatste college van de reis was voor de Amsterdamse theoretisch-fysicus Jan Pieter van der Schaar, die de deelnemers meenam in het fascinerende theoretisch onderzoek dat aan CERN gebeurt. Zo vertelde hij onder meer over de supersymmetrie, de theoretische extra deeltjeslaag die bovenop het standaardmodel zou kunnen liggen. De detectoren van de LHC hopen zodra ze in 2015 opnieuw opstarten, de eerste bewijzen voor deze extra laag te ontdekken.

Controlekamer

Deeltjesfysicus Ivo van Vulpen geeft college
Deeltjesfysicus Ivo van Vulpen geeft college

Op de laatste dag sloten we de reis in stijl af met een bezoek aan de gelikte presentatie bij de eerste deeltjesversneller die op CERN in gebruik werd genomen. Daarna volgde nog een blik op de (nog niet volledig bezette) controlekamer waar fysici en technologen de deeltjesbundels in de versneller in goede banen proberen te leiden.

Het was een passend slot van een inhoudelijk razend interessante reis die de deelnemers oog-in-oog bracht met de meest indrukwekkende locaties uit de hedendaagse deeltjesfysica. Daarbij kwamen nog drie heerlijke diners, de prachtige stad Genève, het groeiend kameraadschap tussen de deelnemers, een heerlijk hotel (en fijne hotelbar) en het goede contact met de onderzoekers (die met ons mee-aten en borrelden en die continu openstonden voor allerlei vragen). Dat alles bij elkaar zorgde ervoor dat New Scientist met recht terug kan kijken op een bijzonder geslaagde eerste lezersreis.

Groepsfoto met deelnemers, organisatoren en sprekers
Groepsfoto met deelnemers, organisatoren en sprekers

Sterker nog: deze eerste reis smaakt meteen al naar meer. Helaas zit een volgende reis naar CERN er nog even niet in, nu de versneller binnenkort weer aan gaat, maar er is nog voldoende moois te bezoeken. Wil je volgende keer ook mee? Hou dan de komende tijd dan onze site en agenda nauwlettend in de gaten.  Heb je nog verzoeken of suggesties met plekken die je graag met New Scientist zou willen bezoeken? Stuur ons dan een e-mail.

Lees verder: