Ga naar hoofdinhoud

Deeltjesversnellers

Waarom verder onderzoek?​

Aan het begin van de twintigste eeuw leek het beeld compleet: materie bestaat uit atomen, atomen bevatten elektronen, protonen en neutronen. Maar al snel stapelden de vraagtekens zich op. Het magnetisch moment van het proton en het neutron gedroeg zich niet zoals verwacht van echte puntdeeltjes. Vrije neutronen bleken onstabiel en vervielen spontaan in protonen. En in de kosmische straling – hoogenergetische deeltjes die voortdurend op de aardatmosfeer inbeuken – werden totaal onverwachte deeltjes ontdekt: muonen, pionen en deeltjes met een nieuwe eigenschap die fysici strangeness doopten.

Al deze aanwijzingen wezen in dezelfde richting: er moesten nog dieper liggende, fundamentelere bouwstenen bestaan. Om die te vinden, hadden wetenschappers instrumenten nodig waarmee ze op de kleinst mogelijke schalen konden kijken. Zoals we in het vorige hoofdstuk zagen, vereist dat hoge energie. De oplossing: de deeltjesversneller.

Soorten versnellers​

Een deeltjesversneller brengt geladen deeltjes op hoge snelheid door ze bloot te stellen aan elektrische velden. Hoe die velden worden georganiseerd, bepaalt het type versneller.

Lineaire versneller (linac) De eenvoudigste opzet: deeltjes worden geproduceerd in een bron en vervolgens versneld langs een reeks cilindrische elektrodes die afwisselend van polariteit wisselen. Elke overgang geeft het deeltje een extra energiestoot. Lineaire versnellers zijn compact en worden vaak gebruikt als voorstadium voor krachtigere ringversnellers.

Geanimeerd schema van een lineaire versneller: de polariteit van de driftbuizen wisselt met een RF-signaal, de elektrische-veldpijlen keren om in elke spleet, en een deeltje versnelt van bron naar doelwit

Lineaire versneller. De polariteit van de driftbuizen wisselt elke halve cyclus van het RF-signaal. In elke gap keert het elektrische veld om – heldere pijlen tonen de versnellende richting, vage pijlen de vertragende. De buizen worden langer omdat snellere deeltjes meer afstand afleggen in elke halve cyclus.

Cyclotron In een cyclotron worden deeltjes versneld in het elektrisch veld tussen twee D-vormige magneten. Diezelfde magneten buigen het pad van de deeltjes af tot een spiraalvormige baan. Het deeltje wint bij elke ronde energie en spiraalt naar buiten tot het de rand bereikt en wordt uitgeschoten. Cyclotrons worden nog steeds veel gebruikt – onder meer voor de productie van radioactieve isotopen in de medische wereld.

Bovenaanzicht van een cyclotron: twee D-vormige elektroden met een deeltjesbron in het centrum, met de spiraalvormige baan van een versnellend deeltje

Cyclotron (bovenaanzicht). Een magnetisch veld loodrecht op het vlak buigt deeltjes in halve cirkels binnen twee D-vormige elektroden. De deeltjes winnen energie telkens wanneer ze de gap passeren en spiralen naar buiten tot extractie.

Synchrotron In een synchrotron bewegen deeltjes op een vaste cirkelvormige baan. Ze worden versneld op rechte secties en bijgestuurd door krachtige magneten op de bochten. Naarmate de deeltjes sneller worden, neemt het magnetische veld toe om ze op koers te houden. Een bijwerking: versnellende ladingen in een bocht zenden elektromagnetische straling uit – de zogenoemde synchrotronstraling. Installaties zoals SOLEIL (nabij Parijs) maken van deze straling gebruik als uiterst krachtige lichtbron voor materiaalonderzoek, biologie en chemie. Andere synchrotrons, zoals de voormalige LEP en de huidige LHC bij CERN, zijn juist gebouwd om deeltjes zoveel mogelijk energie te geven en ze op specifieke punten te laten botsen.

Schema van een synchrotron: een achthoekige bundelring met buigmagneten op de hoeken, RF-holtes op de rechte secties, en synchrotronstraling die tangentieel wordt uitgestraald bij de bochten

Synchrotron. Deeltjes volgen een vaste cirkelvormige baan. RF-holtes op de rechte secties leveren energie; buigmagneten in de bochten sturen de bundel bij. Het magnetisch veld wordt opgevoerd naarmate de deeltjes versnellen. Synchrotronstraling (amberkleurige streepjes) wordt tangentieel uitgestraald bij elke bocht.

De Large Hadron Collider (LHC)​

De LHC bij CERN in Genève is de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Twee bundels protonen razen in tegengestelde richtingen rond een ondergrondse ring van 27 km omtrek en botsen op vier plaatsen met een energie van 6.8 TeV per bundel – in totaal 13.6 TeV per botsing (Run 3, gestart in 2022). Ter vergelijking: dat is ruwweg de kinetische energie van een vliegende mug, maar samengeperst in een ruimte kleiner dan een proton.

Op de vier botsingsplaatsen bevinden zich evenveel detectoren, elk ontworpen voor specifieke onderzoeksvragen:

  • ATLAS en CMS zijn in opzet gelijkaardig en richten zich op een breed spectrum van botsingsproducten, inclusief onderzoek naar het Higgsboson en mogelijke nieuwe deeltjes.
  • LHCb bestudeert het verschil in gedrag tussen materie en antimaterie.
  • ALICE analyseert botsingen tussen zware ionen (zoals loodkernen) om de toestand van materie bij extreme dichtheid en temperatuur te begrijpen.

De ATLAS-detector geeft een indruk van de schaal: 46 m lang, 25 m in diameter en 7 000 ton zwaar – vergelijkbaar met de Eiffeltoren, maar opgehangen in een ondergrondse holte. Het was mede dankzij ATLAS dat in 2012 het Higgsboson werd ontdekt, de laatste ontbrekende bouwsteen van het Standaardmodel. De volgende grote stap is de High-Luminosity LHC (HL-LHC), gepland voor ~2029: niet hogere energie, maar een factor vijf tot tien meer botsingen per seconde – waardoor zeldzame processen statistisch toegankelijk worden die nu nog verborgen blijven.