Deeltjesversneller: het instrument dat de bouwstenen van de natuur blootlegt
Een deeltjesversneller is een machine die piepkleine deeltjes, zoals protonen of elektronen, met behulp van elektrische en magnetische velden opjaagt tot extreem hoge snelheden — vaak bijna de snelheid van het licht. Die versnelde deeltjes worden vervolgens op elkaar of op een vast doelwit afgevuurd. Bij de botsing komt zoveel energie vrij dat er nieuwe, kortlevende deeltjes ontstaan die normaal niet voorkomen in de dagelijkse wereld om ons heen.
Een handige vergelijking: stel je wilt weten waar een horloge van binnen uit bestaat, maar je mag het niet openschroeven. Je zou dan twee identieke horloges met enorme kracht tegen elkaar kunnen laten knallen en de rondvliegende onderdelen bestuderen. Zoiets doen natuurkundigen met deeltjes, alleen dan op een schaal die miljoenen keren kleiner is dan een atoom. Zo proberen ze te achterhalen waar materie, en uiteindelijk het hele heelal, precies uit is opgebouwd.
Wat is het precies?
Om een deeltje te versnellen heb je een elektrisch geladen deeltje nodig, bijvoorbeeld een proton (een positief geladen bouwsteen van de atoomkern) of een elektron. Zo'n deeltje wordt de versneller in geschoten en vervolgens telkens opnieuw een duwtje gegeven door elektrische velden, ongeveer zoals je een schommel steeds een zetje geeft op het juiste moment om hem hoger te laten gaan.
Naast elektrische velden die duwen, gebruikt men magneten om de deeltjesbundel op koers te houden en te bundelen, zoals een railsysteem een trein op zijn spoor houdt. Bij grote versnellers zijn dit vaak supergeleidende magneten: spoelen die tot bijna het absolute nulpunt (min 271 graden Celsius) worden afgekoeld, waardoor ze zonder weerstand extreem sterke magneetvelden kunnen opwekken.
Er bestaan twee hoofdvormen. Een lineaire versneller (linac) is een rechte buis waarin het deeltje één keer wordt versneld en dan het doelwit raakt; dat is compact maar beperkt in de haalbare energie. Een ringvormige versneller (synchrotron) stuurt het deeltje talloze rondjes door een cirkelvormige tunnel, waarbij het bij elke ronde een beetje extra energie krijgt. Zo kan de uiteindelijke energie veel hoger worden, al is zo'n ring wel duur en groot: de bekendste ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, heeft een omtrek van 27 kilometer.
De energie die een deeltje meekrijgt, wordt uitgedrukt in elektronvolt (eV): de energie die een elektron opneemt als het één volt aan spanning doorloopt. Dat is voor één deeltje onvoorstelbaar weinig, dus gebruikt men grotere eenheden: GeV (gigaelektronvolt, een miljard eV) en TeV (teraelektronvolt, duizend miljard eV). De LHC laat protonen botsen met een energie tot 13 TeV per botsing.
Op de plek waar de deeltjes botsen, staat een detector: een soort digitale, laagsgewijze camera die de banen, energieën en ladingen van de duizenden splinters registreert die bij een botsing ontstaan. Computers filteren daaruit de botsingen die interessant genoeg zijn om op te slaan, want een groot deel van de botsingen levert allang bekende resultaten op.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is fundamenteel: natuurkundigen willen weten waaruit materie in de kern bestaat en welke krachten deeltjes bij elkaar houden. Het huidige beste model daarvoor heet het standaardmodel, en deeltjesversnellers zijn het belangrijkste gereedschap om dat model te testen, te bevestigen of juist gaten erin te vinden.
Een beroemd voorbeeld is het Higgs-deeltje, dat verantwoordelijk is voor het feit dat andere deeltjes massa hebben. Dit deeltje was in 1964 theoretisch voorspeld, maar kon pas in 2012 experimenteel worden aangetoond dankzij de LHC.
Daarnaast hopen onderzoekers op aanwijzingen voor verschijnselen die het standaardmodel niet verklaart, zoals donkere materie: de onzichtbare massa die volgens sterrenkundige waarnemingen het grootste deel van het heelal vormt, maar die nog nooit direct is waargenomen.
Naast dit fundamentele onderzoek hebben deeltjesversnellers ook heel praktische toepassingen. In ziekenhuizen worden compacte versnellers gebruikt voor protonentherapie, een vorm van kankerbehandeling waarbij een precies gerichte protonenbundel een tumor beschadigt terwijl omliggend gezond weefsel grotendeels wordt gespaard. Elders worden versnellers gebruikt om intense röntgenstraling (synchrotronstraling) op te wekken waarmee de structuur van materialen, medicijnen of eiwitten tot op atomair niveau in kaart wordt gebracht, of om voedsel en medische apparatuur te steriliseren.
Voorbeelden uit de praktijk
De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, op de grens van Zwitserland en Frankrijk, is sinds 2008/2010 in bedrijf en is de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. De ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 door de experimenten ATLAS en CMS bij de LHC leverde in 2013 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op voor de theoretici die het deeltje hadden voorspeld.
De Tevatron bij Fermilab in de Verenigde Staten was decennialang de krachtigste versneller ter wereld en ontdekte in 1995 het top-quark, een van de zwaarste bekende elementaire deeltjes. De Tevatron werd in 2011 buiten gebruik gesteld, mede omdat de LHC hem qua energie en mogelijkheden was gaan overtreffen.
HollandPTC in Delft is sinds de opening in 2018 het eerste protonentherapiecentrum van Nederland, waar patiënten met bepaalde vormen van kanker worden behandeld met een deeltjesversneller die protonen tot hoge energie versnelt en precies op de tumor richt.
Nikhef (het Nationaal instituut voor subatomaire fysica) in Amsterdam is het Nederlandse zwaartepunt voor deeltjesfysica-onderzoek. Nederlandse onderzoekers en technici van Nikhef dragen al decennia bij aan experimenten bij CERN, onder meer aan de bouw van detectoronderdelen voor de LHC-experimenten.
Als upgrade van de bestaande machine bouwt CERN momenteel aan de High-Luminosity LHC (HL-LHC), die niet de botsingsenergie maar wel het aantal botsingen per seconde fors moet verhogen, zodat zeldzame verschijnselen sneller zichtbaar worden. Deze upgrade wordt naar verwachting rond het einde van dit decennium operationeel.
Hoe ver is de techniek?
Het bouwen en laten draaien van grote ringvormige versnellers zoals de LHC is inmiddels volwassen technologie: de machine draait al ruim vijftien jaar betrouwbaar en wordt periodiek stilgelegd voor onderhoud en upgrades. De HL-LHC-upgrade is in aanbouw en moet de gevoeligheid van het experiment de komende jaren vergroten.
Voor de langere termijn onderzoekt CERN de mogelijkheid van een opvolger, de Future Circular Collider (FCC): een nog veel grotere ringtunnel van ruim 90 kilometer omtrek. Dit project bevindt zich in de studiefase; er is nog geen definitief besluit genomen over financiering en bouw, en de geraamde kosten lopen in de tientallen miljarden euro's. Of en wanneer de FCC er komt, hangt af van politieke en financiële besluitvorming door de CERN-lidstaten in de komende jaren, en dat kan nog verschuiven.
Ook China onderzoekt een vergelijkbaar, zeer groot project, de Circular Electron Positron Collider (CEPC). Ook hierbij gaat het vooralsnog om plannen en haalbaarheidsstudies, niet om een goedgekeurd bouwproject.
De belangrijkste obstakels voor dit soort megaprojecten zijn de kosten (vele miljarden euro's, gespreid over internationale coalities van landen), de bouwtijd van meerdere decennia, en technische uitdagingen zoals het ontwikkelen van nog krachtigere supergeleidende magneten die de deeltjes bij hogere energieën op koers moeten houden. Op kleinere schaal, zoals bij medische versnellers, is de techniek juist al breed uitontwikkeld en operationeel in tientallen ziekenhuizen wereldwijd.
Wie werken eraan?
CERN (de Europese Organisatie voor Kernonderzoek), gevestigd bij Genève, is de belangrijkste internationale speler en wordt gedragen door meer dan twintig Europese lidstaten, waaronder Nederland. In de Verenigde Staten zijn Fermilab (bij Chicago) en SLAC National Accelerator Laboratory (bij Stanford) de belangrijkste onderzoekscentra op dit gebied; SLAC bouwde ooit 's werelds langste lineaire versneller en is tegenwoordig ook toonaangevend in synchrotronstraling-onderzoek.
In Duitsland speelt DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg een vergelijkbare rol, met eigen versnellers en een sterke inbreng in internationale samenwerkingen. In Japan draagt onderzoeksinstituut KEK bij, en China ontwikkelt met het IHEP (Institute of High Energy Physics) eigen plannen zoals de eerdergenoemde CEPC.
Nederland is via Nikhef in Amsterdam nauw betrokken bij CERN-experimenten, met bijdragen van Nederlandse universiteiten aan detectorbouw, data-analyse en theorie. Op medisch gebied bouwen bedrijven als Varian en IBA (leveranciers van protonentherapiesystemen) de compactere versnellers die in ziekenhuizen zoals HollandPTC worden gebruikt. Financiering van de grote fundamentele projecten komt doorgaans van nationale overheden en de Europese Unie, in internationale samenwerkingsverbanden.