De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN is de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Gedurende de tien jaar dat het actief is, heeft het geleid tot opmerkelijke ontdekkingen, waaronder het lang gezochte Higgs-deeltje. Op 15 januari, een internationaal team van natuurkundigen onthulde het conceptontwerp voor een nieuwe deeltjesversneller die de LHC in de schaduw zou stellen.

De "Future Circular Collider" is opgevat als opvolger van de LHC, en - als ze groen licht krijgen - zou het natuurkundigen in staat stellen om antwoorden te zoeken op enkele van de grootste mysteries in de natuurkunde. Dit omvat het ontdekken waar de overgrote meerderheid van het universum eigenlijk van is gemaakt of het ontdekken van geheel nieuwe fysica.

Het voorstel voorziet in een nieuwe tunnel met een omtrek van 100 km die door de aarde zou worden geboord, rond de stad Genève en het omliggende platteland. De 27 km lange LHC zou deeltjes in de nieuwe botser voeren - zoals een snelweghelling. Hierdoor zou het uiteindelijk deeltjes kunnen laten botsen met energieën die ongeveer zeven keer hoger zijn dan de LHC aankan. Hierdoor zou deze botser deeltjes kunnen creëren die buiten het bereik van de LHC liggen - waardoor de deeltjesfysica diep in een onontgonnen microscopisch rijk wordt geduwd.

Portaal naar een donkere wereld

De Future Circular Collider is eigenlijk meerdere projecten in één. De eerste fase stelt zich een machine voor die elektronen botst met hun zogenaamde "antimaterieversies, " positronen. Men denkt dat alle deeltjes een antimaterie metgezel hebben, vrijwel identiek aan zichzelf, maar met tegengestelde lading. Wanneer een materie en een antimateriedeeltje elkaar ontmoeten, ze vernietigen elkaar volledig, met al hun energie omgezet in nieuwe deeltjes.

De botsingsenergie van zo'n botser zou heel nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd. Ook, botsingen zouden erg "schoon" zijn in vergelijking met de LHC, die protonen botst (deeltjes die samen met neutronen de atoomkern vormen). Protonen zijn geen fundamentele deeltjes zoals elektronen, maar lukrake zakken met kleinere deeltjes, waaronder quarks en gluonen. Wanneer protonen botsen, hun ingewanden worden overal bespoten, waardoor het veel moeilijker wordt om nieuwe deeltjes tussen het puin te spotten.

Het primaire doel van de elektron-positron-versneller zou zijn om het Higgs-deeltje te bestuderen, het deeltje dat betrokken is bij de oorsprong van de massa's van de andere fundamentele deeltjes. De nieuwe versneller zou miljoenen Higgs-bosonen creëren en hun eigenschappen tot in ongekend detail meten.

Dergelijke precisiemetingen bieden tal van mogelijkheden voor nieuwe ontdekkingen. Een van de meest verleidelijke is dat de Higgs zou kunnen fungeren als portaal dat de wereld van gewone atomaire materie die we bewonen, verbindt, met een verborgen wereld van deeltjes die anders niet op te sporen zijn. Ongeveer 85% van alle materie in het universum in het universum is "donker, " bestaande uit deeltjes die we nooit hebben kunnen zien. We weten alleen dat het bestaat vanwege de aantrekkingskracht die het heeft op de omringende materie. Opwindend, een elektron-positron-collider zou het Higgs-deeltje kunnen onthullen dat in deze verborgen deeltjes vervalt.

In de tweede fase, de versneller zou worden vervangen door een veel krachtigere proton-protonversneller - die botsingsenergieën van 100 biljoen elektronvolt zou bereiken. Dit zou een ontdekkingsmachine zijn, in staat om een ​​enorm scala aan nieuwe deeltjes te creëren waarvan natuurkundigen vermoeden dat ze buiten het bereik van de LHC liggen.

Vooral, het zou bijna volledig het energiebereik verkennen waar de meeste vormen van donkere materie waarschijnlijk worden gevonden. Het zou ook in staat zijn om de omstandigheden te onderzoeken die een biljoenste van een seconde na de oerknal bestonden. Dit moment in de geschiedenis van het universum is cruciaal, want het is het moment waarop het Higgs-veld - een allesdoordringend energieveld waarin het Higgs-deeltje een kleine rimpeling heeft - instortte in zijn huidige staat, dat is wat de massa's van de fundamentele deeltjes voortbracht.

Begrijpen hoe het Higgs-veld zijn huidige energie kreeg, is een van de grootste openstaande problemen in de natuurkunde, omdat het ongelooflijk fijn afgesteld lijkt te zijn om atomen – en dus sterren, planeten en mensen - om te bestaan.

Als fysicus die aan het LHC-schoonheidsexperiment werkt, Persoonlijk hoop ik dat deze nieuwe botser ons uiteindelijk ook kan helpen het raadsel op te lossen waarom het universum bijna volledig uit materie bestaat en niet uit antimaterie.

Stevig prijskaartje

De eerste fase van de nieuwe versneller zou in de jaren 2040 online komen, na de laatste run van de opgewaardeerde LHC. De krachtigere proton-protonversneller zou in de jaren 2050 worden geïnstalleerd. Aan beide projecten hangt een fors prijskaartje:9 miljard euro voor de elektron-positronmachine en nog eens 15 miljard euro voor de proton-protonversneller. Dit heeft begrijpelijke kritiek opgeroepen dat het geld beter elders kan worden besteed, bijvoorbeeld bij de aanpak van klimaatverandering.

John Womersley, een senior natuurkundige betrokken bij de Future Circle Collider, vertelde me dat naast de waarde van fundamentele kennis op zich, er zullen andere belangrijke voordelen op korte termijn zijn. Hij zei:"De FCC zal de ontwikkeling van innovatieve technologieën stimuleren om nieuwe uitdagingen op te lossen. Het World Wide Web, Wi-Fi en supergeleidende magneten in MRI-machines zijn allemaal ontwikkeld om te voldoen aan de behoeften van de fundamentele fysica." Het project heeft ook een enorme kracht om de volgende generatie natuurkundigen te inspireren.

uiteindelijk, zo'n ambitieus plan is alleen mogelijk door een grote internationale samenwerking, met financiering uit tientallen landen. Het project omvat al 1, 300 bijdragers van 150 universiteiten, onderzoeksinstituten en industriële partners over de hele wereld. In de tussentijd, een soortgelijk collider-project wordt ook overwogen door China, misschien wel het enige land dat in staat is de middelen te mobiliseren die nodig zijn om zelf zo'n enorme machine te bouwen.

De voorstanders van de Future Circular Collider hopen dat het project wordt opgenomen in de nieuwe Europese strategie voor deeltjesfysica, te publiceren in 2020. Indien geaccepteerd, het zal het begin zijn van een lang proces van onderzoek en ontwikkeling, maar ook om nationale overheden en het grote publiek ervan te overtuigen dat het opwindende fundamentele onderzoek dat bij de versneller kan worden uitgevoerd, de moeite waard is om in te investeren.

De politieke uitdagingen zijn ongetwijfeld enorm, maar natuurkundigen zijn vastbesloten om de zoektocht naar een dieper begrip van ons universum niet op te geven.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.