De Large Hadron Collider is back in business. Direct na zijn herstart heeft de deeltjesversneller een energierecord gevestigd. Dat belooft wat voor de komende jaren, waarin natuurkundigen eindelijk de achilleshiel van het standaardmodel hopen te vinden.

De Large Hadron Collider (LHC) heeft het wereldrecord deeltjesversnellen verbroken. In de 27 kilometer lange tunnel bij Genève zijn bundels van protonen versneld tot een energie van 6,8 teraelektronvolt (TeV). Daarmee nadert de deeltjesversneller van het Europese instituut CERN zijn beoogde maximale capaciteit van 7 TeV.

Het record markeert het begin van de derde run van de LHC. Na een driejarige onderhoudspauze is de deeltjesversneller de komende vier jaar weer in bedrijf. Momenteel draaien de deeltjes alleen nog maar rondjes door de tunnel. Halverwege juni zullen ze ook weer op elkaar gaan botsen.

De tijd zal het ­leren
LEES OOK
De tijd zal het ­leren

Spookachtige deeltjes

De afgelopen jaren hebben technici flink aan de LHC en de bijbehorende detectoren gesleuteld. Dankzij verbeterde magneten kunnen onderzoekers smallere deeltjesbundels door de tunnel sturen. Dat vergroot het aantal botsingen. Ook is de software verbeterd, zodat de detectoren meer botsingen kunnen meten en beter kunnen filteren welke botsingen interessant zijn om nader te bestuderen.

Dankzij die aanpassingen zullen de twee grootste detectoren, ATLAS en CMS, in de komende run meer botsingen meten dan in de eerste twee runs bij elkaar. De LHCb-detector mag zich dankzij een extra opknapbeurt klaarmaken voor een verdrievoudiging van het aantal metingen. En ALICE spant de kroon: zij krijgt zelfs vijftig keer zoveel botsingen te zien.

Daarnaast gaan er ook twee nieuwe detectoren aan de slag. SND@LHC en FASER zullen de neutrino’s meten die bij de botsingen vrijkomen. Deze deeltjes zijn nagenoeg ongrijpbaar. Stiekem hopen natuurkundigen dat ze dan meteen ook andere spookachtige deeltjes vangen die tot nu toe langs de detectoren zijn geglipt.

Gevarieerd aanbod

Tien jaar geleden bewezen natuurkundigen met de LHC-botsingen het bestaan van het higgsdeeltje. Met de nieuwe metingen zullen ze dit deeltje verder op de snijtafel leggen. Maar ook het gedrag van andere deeltjes gaan ze nauwlettend in de gaten houden. Om het aanbod zo gevarieerd mogelijk te maken, zullen naast protonen onder andere ook helium- en zuurstofatomen door de tunnel jakkeren.

Zo hopen natuurkundigen definitief vast te stellen op welke plek het standaardmodel van de deeltjesfysica moet worden uitgebreid. Want dat deze theorie onvolledig is, staat vast. Ze biedt bijvoorbeeld geen plek voor donkere materie, het mysterieuze goedje dat op veel plekken in het heelal aanwezig lijkt te zijn.

Lees ook: Curieuze extra higgsdeeltjes kunnen hoge massa W-boson verklaren

De eerdere runs van de LHC hebben al aanwijzingen opgeleverd waar de achilleshiel van het standaardmodel te vinden is. Zo mat de LHCb-detector een onverklaarbaar overschot aan elektronen ten opzichte van muonen. Ook in gegevens van de Tevatron, een collega-deeltjesversneller bij Chicago, zijn vreemde afwijkingen van de theorie gevonden: in 2021 in het gewiebel van muonen en vorige maand in de te hoge massa van het W-boson.

Grote raadsels

Dit soort afwijkingen kunnen wijzen op het bestaan van onbekende elementaire deeltjes. Dat kunnen allerlei typen deeltjes zijn: extra higgsdeeltjes, zware neutrino’s, leptoquarks, axionen, supersymmetrische deeltjes en ga zo maar door.

Al deze voorgestelde deeltjes hebben specifieke eigenschappen die grote raadsels in de natuurkunde kunnen helpen oplossen. Denk aan de eerdergenoemde donkere materie, of het ogenschijnlijke gebrek aan antimaterie in het heelal, of het mechanisme achter de oerknal.

Maar dan moet wel eerst het bestaan van zo’n nieuw deeltje worden bewezen, en dat is buitengewoon lastig. Het vastpinnen van een zwakke plek in het standaardmodel zou al een enorme stap in de goede richting zijn. Het lijkt niet reëel om de komende jaren meer van de LHC te verwachten.

Troonopvolger

Wanneer de derde run is afgerond, zullen technici de LHC opnieuw een flinke onderhoudsbeurt geven. Vanaf 2029 zal de zogeheten High-Luminosity LHC nog zo’n tien jaar in bedrijf zijn. In die periode moet de beoogde maximale botsingsenergie van 14 TeV, oftewel 7 TeV per deeltjesbundel, worden behaald.

Daarna gaat de LHC met pensioen. Wetenschappers en beleidsmakers zijn momenteel druk in beraad over een mogelijke troonopvolger van de koninklijke deeltjesversneller. Een veelgenoemde kandidaat is de Future Circular Collider: een maar liefst honderd kilometer lange cirkelvormige versneller.