Welk pad brengt CERN op nieuwe vondsten?
Heeft het onderzoeksinstituut eigenlijk nog wel goede vragen?
Zo’n drie jaar na het opstarten van de Large Hadron Collider (LHC) stuitten de onderzoekers van CERN al op het deeltje waarvoor de versneller gebouwd was. De deeltjesversneller van 27 kilometer omtrek onder de grens van Zwitserland en Frankrijk toonde onomstotelijk het bestaan van het illustere Higgs-boson aan. Een van de laatste voorspellingen van de deeltjesfysica, werd daarmee door twee onafhankelijke teams bevestigd.
Een zegen, omdat het experiment geslaagd was. Een vloek, omdat daarmee ook gelijk het belangrijkste experiment van de vele proeven die voor de LHC gepland stonden was gelukt. Hiermee is de toekomst van onderzoeksinstituut CERN voortijds onderwerp van discussie geworden.
Want wat nu?
Die vraag zal CERN en daarmee een groot deel van de natuurkundige gemeenschap de aankomende jaren flink bezig houden. Want ligt de toekomst van de natuurkunde nog wel in de zoektocht naar elementaire deeltjes? En zo ja, wat is daarvoor dan de beste aanpak?
Geen grote vragen meer
In de aanloop naar 2020, het jaar dat in de agenda staat om deze grote beslissing te nemen, zullen de vele betrokkenen bij CERN hun stellingen moeten gaan betrekken. Het uiteindelijke doel: de vele investeerders in CERN, waaronder de 22 lidstaten en de ‘associates’, overtuigen van wat de volgende stap moet zijn. Eén ding is duidelijk op te maken uit de berichtgeving van de laatste tijd en dat is dat iedereen voorsorteert op een nieuwe of verbeterde versneller, maar waarvoor eigenlijk?
In gesprek met Lyn Evans, oud-directeur van de LHC, werpt hij direct het meest prikkelende probleem op voor het gehele beslissingsproces: “We hebben gewoon geen goede vragen meer.” Volgens Evans staat de deeltjesfysica momenteel met lege handen als het aankomt op het beargumenteren van een volgende grote investering. “Bij de bouw van de LHC wisten we allemaal wat we wilden vinden: het Higgs-boson, dat was ons doel. Nu dat is gevonden zijn de vragen op.”
Lees meer over het reilen en zeilen van CERN in een eerder interview met Lyn Evans.
En dat is een fikse breuk met de traditie van CERN. Al zo’n zestig jaar opereert het internationale onderzoeksinstituut langs een relatief eenduidige lijn: zoeken naar volgende deeltje om de standaardtheorie verder af te maken. Daarvoor is in de regel een volgende versneller met een nog grotere energie – en vaak ook lengte voor nodig. Het terrein van CERN is anno 2017 dan ook een bonte verzameling van apparaten die elk een volgende stap zetten in de ontdekking van subatomaire deeltjes.
Voormalig wetenschappelijk directeur van CERN, Jos Engelen, is het niet geheel eens met zijn oud-collega. “Het klopt dat de vragen die nu voor liggen niet zo dwingend en concreet zijn als de vraag of het Higgs-boson bestond. Maar er zijn nu andere vragen, bijvoorbeeld of en wanneer de vier krachten die de natuurkunde kent inderdaad samensmelten tot een geünificeerde kracht bij een gegeven energie.”
Een van die vragen is de zoektocht naar het bewijs voor de zogenaamde ‘grand unified theory’ (GUT) zou meer licht kunnen werpen op het ontstaan van het universum. De gedachte is dat wanneer de energie in een botsing hoog genoeg is, er nieuwe fenomenen op moeten treden die lijken op de situatie tijdens de oerknal. In de eerste fractie van het bestaan van het universum zou de temperatuur van het heelal volgens namelijk zo hoog zijn geweest dat zwaartekracht, de elektromagnetische kracht en de andere twee krachten samen één waren.
Het klopt volgens Engelen dat er inmiddels al heel veel bekend is maar nog niet genoeg wat hem betreft. “Als je het mij vraagt dan zeg ik dat we op zijn minst nog genoeg vragen hebben voor nog een generatie versnellers.”
Voor hetzelfde geld is het een woestijn…
Om deze en andere theorieën te testen is volgens beiden inderdaad een grotere en krachtiger versneller nodig, zo veel is zeker. “We hebben alleen geen enkel idee hoeveel sterker en hoeveel groter zo’n apparaat moet zijn” licht Evans toe. “Voor je het weet bouw je een versneller die tien keer zo krachtig is, om er vervolgens achter te komen dat er in dat bereik helemaal niets nieuws te ontdekken is. Voor hetzelfde geld is het een woestijn op dat energieniveau, en blijkt dat je eigenlijk vijftig keer zoveel energie nodig had.”
Bovendien is de technologie die nodig is voor het bouwen van een volgende grotere ronde versneller echt nog toekomstmuziek. Het voorstel van ‘Future Circular Collider’ (FCC) studiegroep van CERN, die pleit voor een versneller van 100 km omtrek. “Of we gewoon de huidige technieken moeten optimaliseren, of dat er echt hele nieuwe soorten magneten etcetera. nodig zijn weten we gewoonweg niet. Maar dat ontwikkelingstraject, dat is nu zoiets waar wel afspraken over te maken zijn” zegt Engelen.
Evans heeft zich inmiddels echter bekeerd tot een pad dat hij veiliger acht. In 2012, vlak na zijn pensioen, werd hij directeur van de zogenaamde Linear Collider Collaboration (LCC), het andere internationale comité van CERN dat de toekomst van een rechte versneller moet onderzoeken.
Of de weg vooruit een rechte of een kromme is, daarover worden Evans en Engelen het niet eens. De oorsprong van dit verschil van inzicht ligt in het type deeltje, elektron of proton, dat in deze versnellers op elkaar geklapt wordt. Protonen zijn relatief zware deeltjes die zich wat lastiger laten versnellen maar je kunt ze met magneten wel de bocht om sturen. De LHC laat protonen dan ook talloze rondes versnellen om een grote eindsnelheid te bereiken. Elektronen daarentegen zijn makkelijk te versnellen, maar verliezen veel van hun snelheid als ze afgebogen worden: rechte versnellers dus.
Een conservatieve geest, of pioniersgeest
Zijn nieuwe voorliefde voor rechte versnellers zet Evans theoretisch kracht bij: “Elektronen zijn zogenaamde puntdeeltjes wat wil zeggen dat ze niet samengesteld zijn uit andere deeltjes. De uitkomsten van een botsing tussen twee elektronen levert een duidelijker en preciezer resultaat op dan een botsing van protonen. Protonen zijn namelijk samengestelde deeltjes, waardoor botsingen tussen twee protonen altijd een stuk ‘rommeliger’ zijn.”
Voor Engelen is dit een begrijpelijk argument, maar wat hem betreft niet zaligmakend. “Met elektronen werken mag dan wel preciezer zijn, maar ik vind het allemaal maar weinig ambitieus.” Engelen vindt dat CERN ook een naam hoog te houden heeft als baanbrekend instituut dat altijd op de grens van wat mogelijk is heeft geopereerd. “Ik vind niet dat het bij CERN past om deze koppositie op te geven.”
Een ander prikkelend detail is dat de plannen voor een nieuwe ronde versneller (FCC) of een upgrade van de LHC allemaal op het grondgebied van CERN plaats zouden kunnen vinden. Voor een lineaire versneller van 40 kilometer lengte zal er moeten worden uitgeweken naar een ander continent. “Inmiddels hebben we hiervoor een stabiele bodem, namelijk een blok graniet, in Japan aangewezen en ook in de VS zijn er opties” vertelt Evans.
Daarmee wordt ook de politieke component van deze discussie zichtbaar. Want alhoewel de VS en Japan slechts ‘associate’ members zijn van CERN in het kader van de LHC, hebben deze landen en Japanse en Amerikaanse onderzoekers wel degelijk een groot aandeel in de besluitvorming. Voor sommigen is het dan ook een reëel argument om nu eens een ander land de mogelijkheid te geven om voorop te lopen in de ontwikkelingen.
Dit zou onvermijdelijk betekenen dat CERN zijn krachten moet splitsen over meerdere instituten en dat is voor Engelen onbespreekbaar. “Op CERN is het zo dat er honderden mensen rondlopen met zogenaamde diepte-expertise van bepaalde processen. Dat kan alleen maar omdat we met zoveel mensen samen komen hier. Die kritische massa is essentieel. Als je die gaat verdelen over de wereld om aan andere projecten te werken dan verlies je een van de belangrijkste krachten van CERN, namelijk de ruimte om te specialiseren.”
Toekomst
Alhoewel de meesten het er over eens lijken te zijn dat CERN een nieuwe generatie versnellers moet ontwikkelen is de bredere vraag in de natuurkunde of het onderzoek naar elementaire deeltjes wel voorrang moet hebben. Zelfs Evans heeft hierover zijn twijfels, “Ik denk dat het voor de aankomende tijd essentieel is dat we meer te weten komen over donkere materie en energie. Of we daar een versneller voor nodig hebben dat weet ik niet.”
