Een "hadron" is de algemene naam voor atoomdeeltjes die bestaan uit quarks, bijvoorbeeld protonen, neutronen en pi-mesonen.
Fysicus Jorgen D'Hondt van de VUB
De Large Hadron Collider is zoals de naam al zegt, niet meer dan een enorm ("large") toestel om hadronen, in dit geval protonen, tegen elkaar te laten botsen ("collide").
Het basisidee achter de LHC is immers kinderlijk eenvoudig: als je wil weten waaruit iets is samengesteld, maak het dan stuk en bestudeer de brokstukken.
In de praktijk is dat echter heel wat moeilijker. Atomen splitsen is al niet zo eenvoudig of ongevaarlijk en de deeltjes waaruit atomen zijn opgebouwd splitsen, dat is nog een stuk moeilijker.
Het basisidee achter de LHC is immers kinderlijk eenvoudig: als je wil weten waaruit iets is samengesteld, maak het dan stuk en bestudeer de brokstukken.
In de praktijk is dat echter heel wat moeilijker. Atomen splitsen is al niet zo eenvoudig of ongevaarlijk en de deeltjes waaruit atomen zijn opgebouwd splitsen, dat is nog een stuk moeilijker.
Lichtsnelheid
Om de protonen uit elkaar te laten spatten, worden ze in de LHC enorm versneld, tot ze bijna de snelheid van het licht bereiken, 300.000 kilometer per seconde.
Dat gebeurt in twee buizen 100 meter onder de grond in de buurt van Genève (foto bovenaan). Die buizen lopen in een cirkel met een omtrek van 27 kilometer, zodat de deeltjes telkens opnieuw door de cirkel gejaagd kunnen worden.
Dat gebeurt in twee buizen 100 meter onder de grond in de buurt van Genève (foto bovenaan). Die buizen lopen in een cirkel met een omtrek van 27 kilometer, zodat de deeltjes telkens opnieuw door de cirkel gejaagd kunnen worden.
Om de deeltjes onder controle te houden, staan er rond de hele cirkel gigantische supergeleidende magneten (foto).
Omdat die alleen supergeleidend zijn bij extreem lage temperaturen, wordt in de tunnel bijna 50.0000 ton apparatuur met vloeibaar helium gekoeld tot 271 graden onder nul. Dat ligt dicht bij het absolute nulpunt van -273,15 graden, de laagste temperatuur die er bestaat, en het is kouder dan het heelal dat een temperatuur heeft van -270,4 graden Celsius.
Die magneten zijn nodig omdat de deeltjes een enorme kinetische energie (bewegingsenergie) krijgen: een enkel proton zou de energie van een rondvliegende mug hebben, wat gigantisch is voor een subatomair deeltje.
Een bundel protonen in de LHC zou de energie hebben van een TGV op volle snelheid. Dat betekent tevens dat als er iets mis gaat, ook de energie vrijkomt van een TGV die tegen een muur knalt.
Omdat die alleen supergeleidend zijn bij extreem lage temperaturen, wordt in de tunnel bijna 50.0000 ton apparatuur met vloeibaar helium gekoeld tot 271 graden onder nul. Dat ligt dicht bij het absolute nulpunt van -273,15 graden, de laagste temperatuur die er bestaat, en het is kouder dan het heelal dat een temperatuur heeft van -270,4 graden Celsius.
Die magneten zijn nodig omdat de deeltjes een enorme kinetische energie (bewegingsenergie) krijgen: een enkel proton zou de energie van een rondvliegende mug hebben, wat gigantisch is voor een subatomair deeltje.
Een bundel protonen in de LHC zou de energie hebben van een TGV op volle snelheid. Dat betekent tevens dat als er iets mis gaat, ook de energie vrijkomt van een TGV die tegen een muur knalt.
In de LHC lopen twee protonenbundels in tegengestelde richting in parallelle buizen. Op enkele plaatsen kunnen de fysici met een druk op de knop de bundels met elkaar doen kruisen en dan beginnen de botsingen tussen de protonen.
Dat gebeurt met een energie die zowat tien keer hoger ligt dan het maximum dat bereikt kan worden in de Tevatron van het Amerikaanse Fermilab in Chicago, de krachtigste deeltjesversneller tot nu toe.
Dat gebeurt met een energie die zowat tien keer hoger ligt dan het maximum dat bereikt kan worden in de Tevatron van het Amerikaanse Fermilab in Chicago, de krachtigste deeltjesversneller tot nu toe.
Oerknal
De protonen botsen tegen elkaar met zo'n snelheid en energie dat de temperatuur en de dichtheid heel, heel even gigantisch hoge waarden bereiken die even hoog liggen als die in het heelal onmiddellijk na de oerknal, het begin van het heelal.
Men verwacht dat de deeltjes waaruit de protonen op hun beurt weer bestaan, de quarks en de gluonen, zich in een nieuwe toestand zullen bevinden, waarin hun onderdelen vrij door elkaar bewegen.
(Foto: een weergave van de botsing van twee loodkernen, waarbij de groene, rode en blauwe bolletjes quarks voorstellen. De grijze bolletjes zijn protonen en neutronen van de loodkernen die na de klap van elkaar weg bewegen).
Om dat echter vast te kunnen stellen, staan er rond de plaatsen waar de botsingen gebeuren reusachtige detectoren opgesteld.
(Foto: een weergave van de botsing van twee loodkernen, waarbij de groene, rode en blauwe bolletjes quarks voorstellen. De grijze bolletjes zijn protonen en neutronen van de loodkernen die na de klap van elkaar weg bewegen).
Om dat echter vast te kunnen stellen, staan er rond de plaatsen waar de botsingen gebeuren reusachtige detectoren opgesteld.
CMS en Atlas
De zwaarste van die detectoren, de Compact Muon Solenoid (een muon is een lepton, een elementair deeltje dat niet uit quarks bestaat, een solenoïde een elektromagneet) weegt 12.500 ton.
Die 12.500 ton bestaat vooral uit gevoelige elektronica, die de deeltjes moet volgen en observeren (foto, de CMS wordt geïnstalleerd).
Bovendien moet alles bestand zijn tegen radioactiviteit want de detectorruimte wordt radioactief als de botsingen bezig zijn.
Bovendien moet alles bestand zijn tegen radioactiviteit want de detectorruimte wordt radioactief als de botsingen bezig zijn.
De grootste detector heet Atlas en weegt 7.500 ton (foto onder: de Atlas bij de installatie).
CMS en Atlas doen hetzelfde werk, de botsingen van de deeltjes observeren en vastleggen, maar ze doen dat op een ander kruispunt van de protonenbundels en op een andere manier.
Daarnaast zijn er nog twee kleinere detectoren, Alice en LHCb.
CMS en Atlas doen hetzelfde werk, de botsingen van de deeltjes observeren en vastleggen, maar ze doen dat op een ander kruispunt van de protonenbundels en op een andere manier.
Daarnaast zijn er nog twee kleinere detectoren, Alice en LHCb.
Op zoek naar Higgs en Susy
De natuurkundigen weten uiteraard nog niet wat ze gaan vinden met de LHC, maar ze hebben wel al enkele ideeën over wat ze zouden kunnen aantreffen.
Eén deeltje waar ze zeker naar zullen uitkijken is het Higgs-boson of Higgs-deeltje, dat ook het Godsdeeltje genoemd wordt.
Dat deeltje is het laatste hiaat in het standaardmodel, de succesvolle theorie van de wisselwerking tussen de atomaire deeltjes.
Dat standaardmodel is heel goed en voorspelt heel veel dingen op een manier die juist gebleken is, maar er is één klein probleem mee: het voorspelt dat nagenoeg alle deeltjes geen massa hebben. Terwijl we uit de praktijk duidelijk weten dat massa wel degelijk bestaat.
Eén deeltje waar ze zeker naar zullen uitkijken is het Higgs-boson of Higgs-deeltje, dat ook het Godsdeeltje genoemd wordt.
Dat deeltje is het laatste hiaat in het standaardmodel, de succesvolle theorie van de wisselwerking tussen de atomaire deeltjes.
Dat standaardmodel is heel goed en voorspelt heel veel dingen op een manier die juist gebleken is, maar er is één klein probleem mee: het voorspelt dat nagenoeg alle deeltjes geen massa hebben. Terwijl we uit de praktijk duidelijk weten dat massa wel degelijk bestaat.
En dus moet het Higgs-deeltje bestaan, want dat zou massa invoeren in het standaardmodel.
Tot nu is het Higgs-deeltje nog nooit betrapt, mogelijk omdat het een grote massa heeft, te groot om het vrij te maken met de deeltjesversnellers die tot nu gebruikt werden. Met de veel krachtigere LHC zou dat wel moeten lukken.
Het vinden van het Higgs-boson zou het sluitstuk zijn van een halve eeuw van onderzoek naar de materie en uiteraard kijken natuurkundigen dan al uit naar iets nieuws.
Na het standaardmodel zoekt men nu naar een "theorie van alles", een theorie die alle natuurkrachten samenbrengt in een wiskundig raamwerk.
Een belangrijk onderdeel van veel van dergelijke theorieën van alles is "supersymmetrie", kortweg Susy.
Die theorie zegt dat tot nu nog maar de helft van alle bestaande deeltjes ontdekt is en dat er voor elk nu bekend deeltje een partner zou bestaan die te zwaar is om met de vorige generatie versnellers ontdekt te worden.
Met de LHC zou het mogelijk moeten zijn om toch minstens de lichtste van die Susy-deeltjes aan het licht te brengen.
Als dat gebeurt en ook het Higgs-boson gevonden wordt, sluit de LHC niet alleen de periode van het standaardmodel af maar opent hij meteen ook een heel nieuw onderzoeksveld.
Om daarin verder te gaan, kijken de natuurkundigen overigens al uit naar een nieuwe deeltjesversneller. Dat zou dan een elektronenversneller moeten zijn, om nauwkeuriger waarnemingen mogelijk te maken.
Protonen zijn immers veel groter dan elektronen en een botsing tussen protonen is dan ook veel "slordiger" dan één tussen elektronen. En dus willen de fysici een elektronenversneller om veel nauwkeuriger waarnemingen te kunnen doen.
Maar dat is toekomstmuziek, verre toekomstmuziek. Wel staat nu al vast dat een dergelijke collider zo veel zal kosten dat het ondoenbaar wordt voor Europa, Japan of de VS om hem alleen te bouwen. En dus zal er samengewerkt moeten worden, maar dan wordt de vraag natuurlijk, waar bouwen we de nieuwe versneller ?
Tot nu is het Higgs-deeltje nog nooit betrapt, mogelijk omdat het een grote massa heeft, te groot om het vrij te maken met de deeltjesversnellers die tot nu gebruikt werden. Met de veel krachtigere LHC zou dat wel moeten lukken.
Het vinden van het Higgs-boson zou het sluitstuk zijn van een halve eeuw van onderzoek naar de materie en uiteraard kijken natuurkundigen dan al uit naar iets nieuws.
Na het standaardmodel zoekt men nu naar een "theorie van alles", een theorie die alle natuurkrachten samenbrengt in een wiskundig raamwerk.
Een belangrijk onderdeel van veel van dergelijke theorieën van alles is "supersymmetrie", kortweg Susy.
Die theorie zegt dat tot nu nog maar de helft van alle bestaande deeltjes ontdekt is en dat er voor elk nu bekend deeltje een partner zou bestaan die te zwaar is om met de vorige generatie versnellers ontdekt te worden.
Met de LHC zou het mogelijk moeten zijn om toch minstens de lichtste van die Susy-deeltjes aan het licht te brengen.
Als dat gebeurt en ook het Higgs-boson gevonden wordt, sluit de LHC niet alleen de periode van het standaardmodel af maar opent hij meteen ook een heel nieuw onderzoeksveld.
Om daarin verder te gaan, kijken de natuurkundigen overigens al uit naar een nieuwe deeltjesversneller. Dat zou dan een elektronenversneller moeten zijn, om nauwkeuriger waarnemingen mogelijk te maken.
Protonen zijn immers veel groter dan elektronen en een botsing tussen protonen is dan ook veel "slordiger" dan één tussen elektronen. En dus willen de fysici een elektronenversneller om veel nauwkeuriger waarnemingen te kunnen doen.
Maar dat is toekomstmuziek, verre toekomstmuziek. Wel staat nu al vast dat een dergelijke collider zo veel zal kosten dat het ondoenbaar wordt voor Europa, Japan of de VS om hem alleen te bouwen. En dus zal er samengewerkt moeten worden, maar dan wordt de vraag natuurlijk, waar bouwen we de nieuwe versneller ?
Een Belgische Nobelprijs?
Afgezien van het feit dat er ook Belgen meewerken aan de LHC heeft ook het Higgs-boson een onmiskenbaar Belgisch tintje.
Ongeveer tegelijk met de Schotse fysicus Peter Higgs kwamen in 1964 twee geleerden van de ULB, François Englert en Robert Brout, tot dezelfde conclusie als Higgs.
Higgs zelf heeft het dan ook vaak over het "zogenaamde Higgs-deeltje" en vermeldt zelf steevast een reeks namen die bijgedragen hebben aan de theorie, onder wie ook Englert en Brout.
Het mechanisme dat aan de basis zou liggen van het Higgs-boson wordt ook het Brout-Englert-Higgs-mechanisme genoemd.
Het wetenschappelijk tijdschrift Eos, dat Brout en Englert bij zijn shortlist voor de grootste Belgische wetenschapper gezet heeft, noemt het zelfs "erg waarschijnlijk dat de drie een van de volgende Nobelprijzen zouden delen". En een dubbele Nobelprijs voor Belgen, dat zou een primeur zijn. Voorwaarde is wel, uiteraard, dat de LHC het Higgs-boson vindt...
Ongeveer tegelijk met de Schotse fysicus Peter Higgs kwamen in 1964 twee geleerden van de ULB, François Englert en Robert Brout, tot dezelfde conclusie als Higgs.
Higgs zelf heeft het dan ook vaak over het "zogenaamde Higgs-deeltje" en vermeldt zelf steevast een reeks namen die bijgedragen hebben aan de theorie, onder wie ook Englert en Brout.
Het mechanisme dat aan de basis zou liggen van het Higgs-boson wordt ook het Brout-Englert-Higgs-mechanisme genoemd.
Het wetenschappelijk tijdschrift Eos, dat Brout en Englert bij zijn shortlist voor de grootste Belgische wetenschapper gezet heeft, noemt het zelfs "erg waarschijnlijk dat de drie een van de volgende Nobelprijzen zouden delen". En een dubbele Nobelprijs voor Belgen, dat zou een primeur zijn. Voorwaarde is wel, uiteraard, dat de LHC het Higgs-boson vindt...
