Large Hadron Collider

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Ligging ten noorden van Genève
Schema van de LHC met de kleinere injectie-ringen voor de deeltjes en de diverse detectors in de hoofdring

De Large Hadron Collider, 'grote hadronen-botser' (afgekort tot LHC), is een ondergrondse deeltjesversneller gebouwd op de Frans-Zwitserse grens in de buurt van Genève. De LHC, die zich op een diepte van 50 tot 175 meter bevindt, is het grootste door mensen gemaakte apparaat en wordt gebruikt om natuurkundig onderzoek aan elementaire deeltjes te doen. De LHC is gebouwd door CERN en is op 10 september 2008 voor het eerst in gebruik genomen.[1][2]

De LHC is voorlopig de krachtigste versneller, maar er liggen nog zwaardere en krachtiger machines op de tekentafel, zoals de ILC (International Linear Collider), waarvan de bouw ergens tussen 2015 en 2020 van start moet gaan.

Gebruik[bewerken]

Met de LHC worden protonen versneld tot 99,999 996 4%[3] van de lichtsnelheid, waarna een botsing volgt. Uit die botsing proberen wetenschappers allerlei informatie te halen door middel van verschillende soorten detectors die om de buis aangebracht zijn. Aanvankelijk zullen protonen worden versneld en tegen elkaar in op elkaar gebotst worden, vanuit beide richtingen met een energie van 3,5 TeV (3,5 biljoen elektronvolt), samen dus 7 TeV. Later hoopt men ook zwaardere deeltjes zoals loodkernen te kunnen laten botsen, met energieën van meer dan 2 TeV (2 biljoen eV). Het belangrijkste deeltje dat men zoekt is het Higgs-deeltje. Dit boson moet de verklaring geven voor de massa van deeltjes en het fundament van het standaardmodel van de deeltjesfysica vormen. Het standaardmodel voorspelt dat er bij de energieën die de LHC kan bereiken een mechanisme moet bestaan dat ervoor zorgt dat de energie van bepaalde deeltjes niet naar oneindig zal gaan. Het standaardmodel zelf heeft hiervoor het Higgs-mechanisme. De LHC zal moeten uitmaken of dit daadwerkelijk het mechanisme is of dat andere theorieën hun gelijk gaan krijgen.

Welke andere resultaten de LHC zal opleveren, valt moeilijk te voorspellen. Mogelijk leidt de LHC tot (nu nog onverwachte) ontdekkingen, met name met betrekking tot de werking van de zwaartekracht en het bestaan van mogelijke onzichtbare dimensies. Misschien kunnen er zelfs minuscule zwarte gaten mee gemaakt worden, die volgens de theorie van Stephen Hawking onmiddellijk weer zouden verdampen. Dan zouden verschillende andere kosmologische theorieën, zoals diverse varianten van de snaartheorie, getest kunnen worden.

Geschiedenis[bewerken]

Bouw[bewerken]

Honderd meter onder de grond worden de supergeleidende magneten voor de Large Hadron Collider geïnstalleerd.

De LHC is de opvolger van de Large Electron-Positron Collider (LEP) en werd geconstrueerd in de tunnel waarin de LEP eerst stond, met een omtrek van 27 km. De bouw heeft ongeveer 8 jaar geduurd en kostte 6 miljard euro. Nederland is een van de lidstaten van het CERN en doet ook mee aan het project. Het verzorgt 4,5% of 27.8 miljoen euro van het jaarlijkse inkomen van CERN. Voor de detectie van de deeltjes die ontstaan en vervolgens vervallen bij de zeer energierijke botsingen van de versnelde protonen worden vijf grote detectoren gebouwd, twee voor algemene doeleinden (ATLAS en CMS) en drie voor meer specifieke experimenten.

De technologische eisen aan de nauwkeurigheid en de veiligheid van de apparatuur tijdens de experimenten zijn zeer hoog: de supergeleidende magneten bevatten als ze in werking zijn een grote hoeveelheid energie (10 gigajoule bij een magneetveld van 6,33 Tesla), evenals de bundel van de versnelde deeltjes (725 megajoule) - een enkel versneld proton zou een kinetische energie hebben vergelijkbaar met die van een vliegende mug, wat voor een sub-atomair deeltje haast onvoorstelbaar is. De energie die vrijkomt bij het verlies van een tienmiljoenste van de energie van de bundel is voldoende om een magneet uit het supergeleidende temperatuurtraject te tillen waardoor de in de magneet opgeslagen energie explosief zou worden omgezet in warmte. De kolossale, tonnenzware magneten worden dan ook met een precisie van om en nabij een millimeter geplaatst.

Testfase en ingebruikname[bewerken]

In de loop van 2008 werden er uitgebreide testen gedaan, terwijl het systeem geleidelijk werd afgekoeld naar 1,9 K (−271,4 °C). Uiteindelijk werd de LHC op 10 september 2008 in gebruik genomen, met een protonstraal die de gehele ring rondging.[2] In oktober 2008 zouden de eerste proeven met botsingen van deeltjes aanvangen.

Defect en herstel[bewerken]

Door een fout in een tweetal lassen van de elektrische verbindingen ontstond er een lek in de met vloeibaar helium gekoelde magneten. Hierdoor moesten 53 magneten worden vervangen. De start van de LHC liep hierdoor een vertraging op van ongeveer een jaar.

Eind september 2008 ontstond er door een ondeugdelijke elektrische verbinding tussen twee magneten een storing, waarbij een elektrische vlamboog ontstond die een heliumleiding doorboorde. Hierbij gingen duizenden liters vloeibaar helium verloren. Om reparaties uit te kunnen voeren en de defecte magneten te kunnen vervangen, moesten alle magneten langzaam worden opgewarmd, en daarna, om de machine weer in gebruik te kunnen nemen, langzaam worden afgekoeld. Om niet te zeer achter te raken op schema, overwoog men de testfase bij 5 TeV over te slaan, en begin 2009 direct op 7 TeV te gaan draaien.[4] In juli 2009 ontstond echter opnieuw vertraging doordat twee lekken werden ontdekt. De herstart werd opnieuw uitgesteld, nu tot medio november 2009.[5]

Op 20 november 2009 werd de LHC opnieuw opgestart en werden er deeltjes geïnjecteerd die tot een energieniveau van 3,5 tera-elektronvolt zullen worden versneld. Op dinsdag 30 maart 2010 om 13:06 uur onze tijd zijn de eerste testen uitgevoerd door de protonen op elkaar te laten botsen. Twee protonenbundels werden versneld tot elk 3,5 tera-elektronenvolt, en botsten met elkaar. Nog niet eerder zijn protonen met zo'n hoge energie opgewekt. Een nieuw record dus. "We gaan een nieuw natuurkundig tijdperk binnen", zo luidde het commentaar binnen CERN.[6]

De Large Hadron Collider functioneert sinds 2010 optimaal. Via een zeer snel netwerk worden de peta bits aan data die de detectors iedere dag genereren gedistribueerd naar de diverse researchgroepen verspreid over de wereld. De verwachte operatietijd van de LHC wordt geschat op 20 jaar maar er zullen in die tijd ook periodieke 'upgrades' plaatsvinden.

Eerste succes[bewerken]

Op 30 maart 2010 is het voor het eerst gelukt om twee stralen protonen op elkaar te laten botsen met een totale energie van 7 TeV (7 biljoen elektronvolt). Later dat jaar, op 8 november, werden loodionen met elkaar in botsing gebracht. Daarbij ontstonden temperaturen boven de 10.000 miljard graden.[7] De dichtheid en de temperatuur waren de hoogste die ooit met een experiment bereikt werden.

Sneller dan het licht[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie CERN Neutrinos to Gran Sasso voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Op 22 september 2011 maakte het CERN bekend dat meerdere hoog-energetische muon-neutrino's, die vanuit Genève op een 730 kilometer verder gelegen laboratorium in Gran Sasso Italië werden afgevuurd, volgens de metingen 60 nanoseconden sneller gereisd zouden hebben dan massaloze deeltjes zouden hebben gedaan, die zich met de lichtsnelheid voortbewegen. Wetenschappers wilden in andere deeltjesversnellers, zoals in Amerika en Japan, het experiment herhalen om te zien of hoog-energetische muon-neutrino's zich inderdaad een fractie sneller dan de lichtsnelheid voortbewegen. Wanneer dat het geval zou zijn, moesten enkele belangrijke natuurkundige theorieën, waaronder Einsteins relativiteitstheorie, deels tegen het licht worden gehouden. In het voorjaar van 2012 kwam er bewijs dat een defecte glasvezelkabel verantwoordelijk was voor de, achteraf gezien foute, meetgegevens.

Controverse[bewerken]

Een lichte controverse deed zich voor toen beweerd werd dat het - in theorie - mogelijk is dat de enorme energieën van de LHC subatomaire zwarte gaten, en ook wel "vreemde materie" zou kunnen scheppen, die theoretisch grote schade zouden kunnen aanrichten.[8]

De risico's van deze niet eerder gedane experimenten zijn echter door meerdere partijen onderzocht, waaronder een groep van onafhankelijke wetenschappers[9] en een onderzoek in opdracht van CERN zelf.[10][11] Men heeft geconcludeerd dat de kans op feitelijke incidenten van dit soort als verwaarloosbaar beschouwd kan worden en dat de botsingen van de deeltjes geen aannemelijk gevaar opleveren.

Elk doemscenario in de LHC is uitgesloten omdat de natuurkundige voorwaarden en gebeurtenissen die in de LHC worden geschapen ook op natuurlijke wijze voorkomen in het universum, en dan meestal met astronomisch grote energie onbereikbaar voor elk menselijk instrument, zonder gevaarlijke gevolgen. Zo heeft de kosmische straling, die meestal een grotere energie heeft dan met de LHC kan worden opgewekt, die dagelijks de buitenste lagen van de atmosfeer treft in het hele bestaan van de aarde nog niet tot een ramp geleid.[10]

Externe link[bewerken]

Referenties
  1. (en) CERN Press Release: First beam in the LHC - accelerating science
  2. a b (en) Persbericht CERN : CERN announces start-up date for LHC
  3. (en) LHC: How fast do these protons go?
  4. (en) LHC on hold until spring of 2009, Physics World News, 24 sept 2008
  5. (en) News on the LHC, Cern, 16 juli 2009
  6. (en) Persbericht CERN : The LHC is back
  7. LHC creëert eerste mini-Oerknallen door Arnout Jaspers, geraadpleegd op 17 november 2010
  8. (en) msnbc.com, Cosmic Log 19 augustus 2008: "Twists in the Doomsday debate" door Alan Boyle.
  9. (en) LHC Safety Study Group. Blaizot JP, Iliopoulos J, Madsen J, Ross G, Sonderegger P, Specht H (2003). Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC
  10. a b (en) Ellis J, Giudice G, Mangano ML, Tkachev I, Wiedemann U (LHC Safety Assessment Group). "Review of the Safety of LHC Collisions". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics; 35, 115004 (18pp) - doi:10.1088/0954-3899/35/11/115004 - CERN record - arXiv:0806.3414.
  11. (en) CERN-website: The safety of the LHC"