De Large Hadron Collider (LHC) is een wonder van de moderne deeltjesfysica dat onderzoekers in staat heeft gesteld de diepten van de werkelijkheid te doorgronden. De oorsprong ervan gaat helemaal terug tot 1977, toen Sir John Adams, de voormalige directeur van de Europese Organisatie voor Kernonderzoek (CERN), voorstelde om een ondergrondse tunnel te bouwen waarin een deeltjesversneller zou kunnen worden ondergebracht die in staat zou zijn om buitengewoon hoge energieën te bereiken, zo blijkt uit een artikel uit 2015 van natuurkundige Thomas Schörner-Sadenius.
Het project werd twintig jaar later, in 1997, officieel goedgekeurd en de bouw begon van een 27 kilometer lange ring van 16,5 mijl onder de Frans-Zwitserse grens die in staat is om deeltjes te versnellen tot 99,99 procent van de lichtsnelheid en ze samen te smelten. Binnen de ring leiden 9.300 magneten pakketjes geladen deeltjes in twee tegengestelde richtingen met een snelheid van 11.245 keer per seconde, om ze uiteindelijk samen te brengen voor een frontale botsing. De installatie is in staat om ongeveer 600 miljoen botsingen per seconde tot stand te brengen, waarbij ongelooflijke hoeveelheden energie worden uitgespuwd en af en toe een exotisch en nog nooit eerder gezien zwaar deeltje. De LHC werkt met energieën die 6,5 keer hoger zijn dan die van de vorige deeltjesversneller, het uit bedrijf genomen Tevatron van Fermilab in de VS, die recordhouder was.
De bouw van de LHC kostte in totaal 8 miljard dollar, waarvan 531 miljoen dollar uit de Verenigde Staten kwam. Meer dan 8.000 wetenschappers uit 60 verschillende landen werken samen aan de experimenten. De versneller zette zijn stralen voor het eerst aan op 10 september 2008, waarbij de deeltjes op slechts een tienmiljoenste van de oorspronkelijke intensiteit botsten.
Voordat de LHC in gebruik werd genomen, vreesden sommigen dat de nieuwe atoomsplijter de aarde zou vernietigen, misschien door een allesverslindend zwart gat te creëren. Maar elke gerenommeerde natuurkundige zou zeggen dat dergelijke zorgen ongegrond zijn.
“De LHC is veilig, en elke suggestie dat hij een risico zou kunnen vormen, is pure fictie,” heeft CERN-directeur-generaal Robert Aymar in het verleden aan LiveScience verteld.
Dat wil niet zeggen dat de faciliteit niet schadelijk zou kunnen zijn als hij onjuist wordt gebruikt. Als je je hand in de bundel zou steken, die de energie van een bewegend vliegdekschip concentreert tot een breedte van minder dan een millimeter, zou hij er een gat doorheen maken en dan zou de straling in de tunnel je doden.
Baanbrekend onderzoek
De afgelopen tien jaar heeft de LHC atomen samengesmolten voor zijn twee belangrijkste experimenten, ATLAS en CMS, die hun gegevens afzonderlijk opereren en analyseren. Dit is om ervoor te zorgen dat geen van beide samenwerkingsverbanden het andere beïnvloedt en dat elk een controle op zijn zuster-experiment uitvoert. De instrumenten hebben meer dan 2.000 wetenschappelijke artikelen opgeleverd over veel gebieden van de fundamentele deeltjesfysica.
Op 4 juli 2012 keek de wetenschappelijke wereld met ingehouden adem toe hoe onderzoekers bij de LHC de ontdekking van het Higgs-boson aankondigden, het laatste puzzelstukje in een vijf decennia oude theorie die het Standaardmodel van de fysica wordt genoemd. Het Standaardmodel probeert een verklaring te geven voor alle bekende deeltjes en krachten (behalve de zwaartekracht) en hun interacties. In 1964 schreef de Britse natuurkundige Peter Higgs een artikel over het deeltje dat nu zijn naam draagt en waarin hij uitlegde hoe massa in het heelal ontstaat.
De Higgs is eigenlijk een veld dat de hele ruimte doordringt en elk deeltje dat erdoorheen beweegt meesleurt. Sommige deeltjes sjokken langzamer door het veld, en dit komt overeen met hun grotere massa. Het Higgs boson is een manifestatie van dit veld, waar fysici al een halve eeuw naar op zoek waren. De LHC werd expliciet gebouwd om deze ongrijpbare prooi eindelijk te vangen. Toen uiteindelijk werd ontdekt dat de Higgs 125 keer de massa van een proton had, kregen zowel Peter Higgs als de Belgische theoretisch natuurkundige Francois Englert in 2013 de Nobelprijs voor het voorspellen van het bestaan ervan.
Zelfs met de Higgs in handen kunnen natuurkundigen niet rusten omdat het Standaardmodel nog steeds enkele gaten vertoont. Zo gaat het bijvoorbeeld niet in op de zwaartekracht, die grotendeels wordt bestreken door Einsteins relativiteitstheorieën. Het verklaart ook niet waarom het heelal uit materie bestaat en niet uit antimaterie, die aan het begin der tijden in ongeveer gelijke hoeveelheden zou moeten zijn ontstaan. En ze zwijgt volledig over donkere materie en donkere energie, die nog moesten worden ontdekt toen ze voor het eerst werd gecreëerd.
Voordat de LHC werd ingeschakeld, zouden veel onderzoekers hebben gezegd dat de volgende grote theorie er een is die bekend staat als supersymmetrie, die soortgelijke maar veel massievere tweelingpartners toevoegt aan alle bekende deeltjes. Een of meer van deze zware partners hadden een perfecte kandidaat kunnen zijn voor de deeltjes waaruit donkere materie bestaat. En supersymmetrie begint vat te krijgen op de zwaartekracht, en verklaart waarom die zo veel zwakker is dan de andere drie fundamentele krachten. Vóór de ontdekking van de Higgs hoopten sommige wetenschappers dat het boson iets anders zou zijn dan het Standaardmodel voorspelde, wat zou duiden op nieuwe fysica.
Maar toen de Higgs aan het licht kwam, was hij ongelooflijk normaal, precies in het massabereik waar hij volgens het Standaardmodel zou zijn. Hoewel dit een grote prestatie is voor het Standaardmodel, hebben natuurkundigen hierdoor geen goede aanknopingspunten meer om op voort te bouwen. Sommigen beginnen te praten over de decennia die verloren zijn gegaan met het najagen van theorieën die op papier goed klonken, maar die niet lijken overeen te komen met de feitelijke waarnemingen. Velen hopen dat de volgende gegevensverzamelingen van de LHC zullen helpen om wat van deze puinhoop op te ruimen.
De LHC is in december 2018 stilgelegd om twee jaar lang upgrades en reparaties uit te voeren. Wanneer het weer online komt, zal het atomen tegen elkaar kunnen laten botsen met een lichte toename in energie, maar met het dubbele aantal botsingen per seconde. Wat het dan zal vinden, laat zich raden. Er wordt al gesproken over een nog krachtigere deeltjesversneller die de LHC moet vervangen, op hetzelfde terrein maar vier keer zo groot als de LHC. De bouw van deze enorme vervanging zou 20 jaar en 27 miljard dollar in beslag kunnen nemen.