The Large Hadron Collider and the Frontier of Physics

De wetenschap van de deeltjesfysica kijkt naar de bouwstenen van materie - de atomen en deeltjes die veel van het materiaal in de kosmos vormen. Het is een complexe wetenschap die nauwkeurige metingen vereist van deeltjes die met hoge snelheden bewegen. Deze wetenschap kreeg een enorme boost toen de Large Hadron Collider (LHC) in september 2008 begon. De naam klinkt erg "sciencefiction" maar het woord "collider" verklaart eigenlijk precies wat het doet: stuur twee energierijke deeltjesstralen naar bijna de snelheid van het licht rond een 27 kilometer lange ondergrondse ring. Op het juiste moment worden de stralen gedwongen te "botsen". Protonen in de stralen slaan dan tegen elkaar en, als alles goed gaat, worden kleinere stukjes en beetjes - subatomaire deeltjes genoemd - gemaakt voor korte momenten in de tijd. Hun acties en bestaan ​​worden vastgelegd. Van die activiteit leren natuurkundigen meer over de zeer fundamentele bestanddelen van materie.

LHC en deeltjesfysica

De LHC is gebouwd om een ​​aantal ongelooflijk belangrijke vragen in de fysica te beantwoorden, waarbij wordt ingegaan op waar massa vandaan komt, waarom de kosmos is gemaakt van materie in plaats van het tegenovergestelde "spul" antimaterie genoemd, en wat het mysterieuze "spul" bekend als donkere materie mogelijk zou kunnen zijn worden. Het zou ook belangrijke nieuwe aanwijzingen kunnen geven over de omstandigheden in het zeer vroege universum toen zwaartekracht en elektromagnetische krachten allemaal werden gecombineerd met de zwakke en sterke krachten in één allesomvattende kracht. Dat gebeurde slechts een korte tijd in het vroege universum, en natuurkundigen willen weten waarom en hoe het veranderde. 

De wetenschap van de deeltjesfysica is in wezen de zoektocht naar de fundamentele bouwstenen van materie. We kennen de atomen en moleculen waaruit alles bestaat wat we zien en voelen. De atomen zelf bestaan ​​uit kleinere componenten: de kern en elektronen. De kern zelf bestaat uit protonen en neutronen. Dat is echter niet het einde van de lijn. De neutronen bestaan ​​uit subatomaire deeltjes die quarks worden genoemd.

Zijn er kleinere deeltjes? Dat is wat deeltjesversnellers zijn ontworpen om erachter te komen. De manier waarop ze dit doen, is door omstandigheden te creëren die vergelijkbaar zijn met hoe het was net na de oerknal - de gebeurtenis die het universum begon. Op dat moment, zo'n 13,7 miljard jaar geleden, bestond het universum alleen uit deeltjes. Ze waren vrij verspreid door de kosmos van de kinderen en zwierven constant rond. Deze omvatten mesons, pions, baryons en hadrons (waarvoor de versneller is genoemd).

Deeltjesfysici (de mensen die deze deeltjes bestuderen) vermoeden dat materie uit minstens twaalf soorten fundamentele deeltjes bestaat. Ze zijn onderverdeeld in quarks (hierboven vermeld) en leptons. Er zijn er zes van elk type. Dat verklaart slechts enkele van de fundamentele deeltjes in de natuur. De rest wordt gecreëerd in superkrachtige botsingen (in de Big Bang of in versnellers zoals de LHC). Binnen die botsingen krijgen deeltjesfysici een zeer snelle glimp van de omstandigheden in de oerknal, toen de fundamentele deeltjes voor het eerst werden gecreëerd.

Wat is de LHC?

De LHC is de grootste deeltjesversneller ter wereld, een grote zus van Fermilab in Illinois en andere kleinere versnellers. LHC is gevestigd in de buurt van Genève, Zwitserland, gebouwd en beheerd door de Europese Organisatie voor nucleair onderzoek en wordt gebruikt door meer dan 10.000 wetenschappers van over de hele wereld. Langs zijn ring hebben natuurkundigen en technici extreem sterke onderkoelde magneten geïnstalleerd die de stralen van deeltjes door een straalpijp geleiden en vormen). Zodra de stralen snel genoeg bewegen, leiden gespecialiseerde magneten ze naar de juiste posities waar de botsingen plaatsvinden. Gespecialiseerde detectoren registreren de botsingen, de deeltjes, de temperaturen en andere omstandigheden op het moment van de botsing, en de deeltjesacties in de miljardste seconde waarin de inslag plaatsvindt.

Wat heeft de LHC ontdekt?

Toen deeltjesfysici de LHC planden en bouwden, hoopten ze een bewijs te vinden voor het Higgs Boson. Het is een deeltje vernoemd naar Peter Higgs, die het bestaan ​​ervan voorspelde. In 2012 kondigde het LHC-consortium aan dat experimenten het bestaan ​​van een boson hadden aangetoond dat overeenkwam met de verwachte criteria voor het Higgs Boson. Naast de voortdurende zoektocht naar de Higgs, hebben wetenschappers die de LHC gebruiken, een zogenaamd "quark-gluon-plasma" gemaakt, wat de dichtste materie is die buiten een zwart gat wordt verondersteld te bestaan. Andere deeltjesexperimenten helpen fysici om supersymmetrie te begrijpen, wat een ruimtetijd-symmetrie is die twee verwante soorten deeltjes omvat: bosonen en fermionen. Men denkt dat elke groep deeltjes een geassocieerd superpartner-deeltje in de andere heeft. Inzicht in dergelijke supersymmetrie zou wetenschappers meer inzicht geven in wat het "standaardmodel" wordt genoemd. Het is een theorie die uitlegt wat de wereld is, wat haar zaak bij elkaar houdt, en de krachten en deeltjes die daarbij betrokken zijn.

De toekomst van de LHC

Operaties bij de LHC omvatten twee belangrijke "observatie" runs. Tussendoor wordt het systeem opgeknapt en opgewaardeerd om de instrumentatie en detectoren te verbeteren. De volgende updates (gepland voor 2018 en later) zullen een toename in botsingssnelheden omvatten en een kans om de helderheid van de machine te verhogen. Wat dat betekent is dat LHC steeds zeldzamer en sneller voorkomende processen van deeltjesversnelling en botsing zal kunnen zien. Hoe sneller botsingen kunnen optreden, des te meer energie zal vrijkomen naarmate het steeds kleinere en moeilijker te detecteren deeltjes betreft. Dit geeft deeltjesfysici een nog betere kijk op de bouwstenen van materie waaruit de sterren, sterrenstelsels, planeten en het leven bestaan.