Large Hadron Collider

Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds krachtigste deeltjesversneller. De LHC is gebouwd door de Europese Organisatie voor Kernonderzoek (CERN) in dezelfde tunnel van 27 km (17 mijl) waarin ook haar Large Electron-Positron Collider (LEP) was ondergebracht. De tunnel is cirkelvormig en bevindt zich 50-175 meter (165-575 voet) onder de grond, op de grens tussen Frankrijk en Zwitserland. De LHC heeft zijn eerste testoperatie uitgevoerd op 10 september 2008. Een elektrisch probleem in een koelsysteem op 18 september resulteerde in een temperatuurstijging van ongeveer 100 °C (180 °F) in de magneten, die bedoeld zijn om te werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273,15 °C, of -459,67 °F). Vroege ramingen dat de LHC snel zou worden hersteld, bleken al snel te optimistisch. Hij werd opnieuw opgestart op 20 november 2009. Kort daarna, op 30 november, verdrong de LHC het Tevatron van het Fermi National Accelerator Laboratory als de krachtigste deeltjesversneller toen het protonen een energie van 1,18 teraelectronvolt (TeV; 1 × 1012 elektronvolt) bereikte. In maart 2010 maakten wetenschappers bij CERN bekend dat een probleem met het ontwerp van de supergeleidende draad in de LHC tot gevolg had dat de botser slechts op halve energie (7 TeV) kon werken. De LHC werd in februari 2013 stilgelegd om het probleem te verhelpen en werd in april 2015 opnieuw opgestart om op zijn volle energie van 13 TeV te draaien. Een tweede lange stillegging, tijdens welke de apparatuur van de LHC zou worden gemoderniseerd, begon in december 2018 en zou eind 2021 of begin 2022 aflopen.

Het hart van de LHC is een ring die door de omtrek van de LEP-tunnel loopt; de ring heeft een diameter van slechts enkele centimeters, is sterker geëvacueerd dan de diepe ruimte en gekoeld tot op twee graden van het absolute nulpunt. In deze ring worden twee tegen elkaar in draaiende bundels zware ionen of protonen versneld tot snelheden binnen één-miljoenste van een procent van de lichtsnelheid. (Protonen behoren tot een categorie van zware subatomaire deeltjes die bekend staan als hadronen, vandaar de naam van deze deeltjesversneller). Op vier punten op de ring kunnen de bundels elkaar kruisen en een klein deel van de deeltjes botst tegen elkaar. Bij maximaal vermogen zullen botsingen tussen protonen plaatsvinden met een gecombineerde energie van maximaal 13 TeV, ongeveer zeven keer meer dan tot nu toe is bereikt. Bij elk botsingspunt staan enorme magneten van tienduizenden tonnen en reeksen detectoren om de bij de botsingen geproduceerde deeltjes op te vangen.

De realisatie van het project nam een kwart eeuw in beslag; de planning begon in 1984 en het definitieve startsein werd in 1994 gegeven. Duizenden wetenschappers en ingenieurs uit tientallen landen waren betrokken bij het ontwerp, de planning en de bouw van de LHC, en de kosten voor materiaal en mankracht bedroegen bijna 5 miljard dollar; dit is exclusief de kosten voor de exploitatie van experimenten en computers.

Eén doel van het LHC-project is om de fundamentele structuur van materie te begrijpen door de extreme omstandigheden die zich in de eerste momenten van het heelal volgens het big-bang model hebben voorgedaan, opnieuw te creëren. Decennialang hebben natuurkundigen het zogenaamde standaardmodel voor fundamentele deeltjes gebruikt, dat goed heeft gewerkt maar ook zwakke punten heeft. Ten eerste, en dat is het belangrijkste, verklaart het niet waarom sommige deeltjes massa hebben. In de jaren zestig van de vorige eeuw postuleerde de Britse natuurkundige Peter Higgs een deeltje dat in wisselwerking stond met andere deeltjes aan het begin van de tijd om hen van hun massa te voorzien. Het Higgs-boson was nog nooit waargenomen – het zou alleen moeten worden geproduceerd door botsingen in een energiebereik dat vóór de LHC niet beschikbaar was voor experimenten. Na een jaar botsingen bij de LHC te hebben geobserveerd, maakten wetenschappers daar in 2012 bekend dat zij een interessant signaal hadden gedetecteerd dat waarschijnlijk afkomstig was van een Higgs-boson met een massa van ongeveer 126 giga-elektronvolt (miljard elektronvolt). Verdere gegevens bevestigen deze waarnemingen definitief als die van het Higgs boson. Ten tweede vereist het standaardmodel een aantal arbitraire veronderstellingen, die volgens sommige fysici kunnen worden opgelost door een nieuwe klasse supersymmetrische deeltjes te postuleren; deze zouden kunnen worden geproduceerd door de extreme energieën van de LHC. Ten slotte kan het onderzoek naar asymmetrieën tussen deeltjes en hun antideeltjes een aanwijzing geven voor een ander mysterie: de onbalans tussen materie en antimaterie in het heelal.