CERN wil een nieuwe megaversneller bouwen

CERN wil een nieuwe megaversneller bouwen

Op 19 juni verleende de Raad van CERN unaniem haar goedkeuring aan de update van de Europese Strategie voor deeltjesfysica. Blikvanger in dit strategisch plan is de bouw van een heuse “higgsfabriek”, een superdeeltjesversneller van honderd kilometer lang die de huidige Large Hadron Collider (LHC) op termijn moet vervangen. Prijskaartje: 21 miljard euro.

Sinds 1975 beschikken we met het Standaardmodel van de elementaire deeltjesfysica over een theorie die de werking van de sterke, zwakke en elektromagnetische kracht beschrijft. Elke voorspelling die het model maakt, vindt experimentele bevestiging, soms met haast intimiderende precisie. De zeventien deeltjes elementaire deeltjes waaruit de werkelijkheid volgens het Standaardmodel is opgebouwd, werden, voor zover ze nog niet bekend waren, één na één ontdekt in de loop van de twintig jaar na de formulering van het Standaardmodel.

Hogere energieën

Behalve het higgsboson. Dat deeltje vervult een speciale rol. Er is een veld mee geassocieerd dat de hele ruimte vult en deeltjes die er vatbaar voor zijn als het ware massa verleent. Drie wetenschappers, waaronder de Belg Englert, hadden het bestaan ervan al in 1964 op theoretische grond voorspeld. De LHC, een ringvormige deeltjesversneller van 27 km lang, deels in Zwitserland gelegen, deels in Frankrijk, werd voornamelijk gebouwd om dit langverwachte, maar ongrijpbare deeltje te pakken te krijgen. Het CERN in Genève schreef dan ook geschiedenis toen het higgsdeeltje in 2012 daadwerkelijk ontdekt werd. François Englert en Peter Higgs hielden er in 2013 een Nobelprijs aan over (de derde, Robert Brout, is in 2011 helaas overleden).

Maar om het higgsboson meer in detail te kunnen bestuderen, wil de Raad van CERN nog hogere energieën opwekken. Vandaar het plan om een ring van 100 km te bouwen, waarin een elektron-positronversneller, de ‘higgsfabriek’, moet komen. Je zou dan geen jaren moeten speuren naar een higgsdeeltje, maar ze aan de lopende band kunnen produceren en bestuderen. De bouw ervan zou kunnen starten in 2038, wanneer de upgrade van de huidige LHC tot High-Luminosity LHC een jaartje of tien heeft kunnen draaien.

In een tweede fase zou er dan een proton-protonversneller komen om nog hogere energieën op te wekken. Die moet botsingsenergieën van 100 teraelektronvolt (TeV) opwekken, te vergelijken met de huidige 16 TeV van de LHC. Daarmee zouden we dan minstens nieuwe deeltjes moeten vinden, met een uitbreiding van het Standaardmodel tot gevolg. En wie weet stoten we zelfs op een nog diepere laag van de werkelijkheid, met echt nieuwe fysica tot gevolg.

‘Historische dag’

Ambitie en enthousiasme troef, dus. CERN-directeur Fabiola Gianotti was dan ook in haar nopjes na de gunstige stemming van de Raad: ‘Ik denk dat dit een historische dag is voor CERN en de deeltjesfysica’.

Voor het zover is, valt er evenwel nog veel uit te klaren op wetenschappelijk, technisch en financieel vlak. De huidige goedkeuring slaat ook enkel op de verdere uitwerking van het plan, de finale beslissing over de bouw van de nieuwe versneller is nog niet aan de orde. Het geschatte prijskaartje van 21 miljard euro zal het Europese CERN alvast nog meer naar een wereldwijde onderzoeksinstelling doen evolueren.

Maar niet iedere wetenschapper deelt de hoerastemming van de CERN-Raad. Onder meer de Duitse theoretische natuurkundige Sabine Hossenfelder, die wel vaker tegen de stroom durft in te gaan, plaatst een flinke kritische noot bij de megalomane plannen van het CERN. Dat heeft alles te maken met de niet ingeloste verwachting dat de LHC veel meer zou ontdekken dan het higgsdeeltje.

Het Standaardmodel is de beste theorie van de werkelijkheid die de mens ooit ontwierp, maar ze weet zich geen raad met de donkere energie en donkere materie in het heelal en krijgt de vierde natuurkracht, zwaartekracht, niet ingepast. De theoretici hadden na lang zwoegen een prachtige oplossing gevonden: supersymmetrie. Ieder deeltje zou een superpartner hebben, detecteerbaar door de LHC. Maar de LHC vond helemaal niets.

Moeten we ons niet eerst grondig beraden over de vraag waarom de wetenschappelijke machine stokt, vooraleer we duizelingwekkende bedragen uitgeven om in het wilde weg naar diepere lagen van de werkelijkheid te graven?

Superzware zwarte gaten in het jonge heelal

Een nieuwe theorie zou eindelijk kunnen verklaren hoe superzware zwarte gaten zich zo snel in het vroege heelal hebben gevormd.

Een jaar geleden veroorzaakte een astronomisch nieuwtje een wereldwijde deining in de media. Onderzoekers hadden een afbeelding gemaakt van het zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel M87. Of liever: van de grens rond het zwart gat waarbinnen niets nog kan ontsnappen, de waarnemingshorizon.

Vervolg: zie Eos Magazine, ed. 07-8, 2020

Kosmische ‘zaklamp’ spoort raadselachtige materie op

Zowat de helft van de zichtbare (‘baryonische’) materie onttrekt zich aan onze waarnemingen. Maar nu lijkt het ‘probleem van de verborgen baryonen’ opgelost. Met dank aan mysterieuze heldere, korte radioflitsen. En aan pientere astronomen die deze flitsen als kosmische zaklantaarn gebruikten. 

Eén van de meest fascinerende inzichten van de hedendaagse kosmologie is dat onze kennis over het heelal zich beperkt tot 5 procent ervan. Donkere energie gaat met 68 procent aan de haal, terwijl donkere materie goed is voor 27 procent van de energie-inhoud van onze kosmos. De aard van die donkere energie en donkere materie houdt kosmologen al geruime tijd uit hun slaap.

Iets minder bekend, maar daarom niet minder raadselachtig, is dat zelfs zowat de helft van die 5 procent tot dusver voor ons verborgen blijft. Het gaat om ‘normale’ – in het jargon baryonische – materie, waaruit niet alleen wijzelf, maar ook gaswolken, sterren, planeten, kometen en andere hemellichamen opgebouwd zijn.

Jean-Pierre Macqaurt, als hoogleraar radiosterrenkunde verbonden aan de Curtin University in Australië, J. Xavier Prochaska, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz  en hun collega’s zijn ervan overtuigd dat ze het ‘probleem van de verborgen baryonen’ nu opgelost hebben.

Gasslierten tussen sterrenstelsels als schuilplaats

Het aandeel van deze baryonische materie halen we uit schattingen op basis van de komische achtergrondstraling – de nagloed van de Oerknal – en onze theorie over de vorming van atoomkernen (nucleosynthese) in de beginfase van het heelal. Maar wanneer we de baryonische materie vervat in sterrenstelsels bij elkaar harken, vinden we dus beduidend minder dan verwacht.

Macquart: “We vonden nog niet de helft van wat er aan baryonische materie zou moeten zijn in het heelal. Behoorlijk pijnlijk. Maar de ruimte is dan ook bijzonder ijl. De ontbrekende baryonen komen overeen met één of twee atomen in een doorsnee kantoorruimte. Geen wonder dat je ze met traditionele technieken en telescopen niet detecteert.”

Het vermoeden dat de ‘verborgen baryonen’ zich in gasslierten tussen sterrenstelsels ophouden, kreeg de afgelopen jaren bevestiging door quasars, bronnen van X-straling en de kosmische achtergrondstraling als natuurlijke lichtbron te gebruiken. Zonder meer een mooi resultaat, maar bij elk van deze technieken krijg je slechts stukjes en brokjes van deze aandachtschuwe baryonen zien.

Fast Radio Bursts als kosmische zaklantaarn

Het team van Macqaurt en Prochaska heeft daar nu verandering in gebracht. Ze zijn er voor het eerst in geslaagd om een betrouwbare kwantitatieve schatting te maken van de hoeveelheid verborgen baryonen. Dat deden ze door gebruik te maken van Fast Radio Bursts (FRB’s)Dit zijn heldere lichtflitsen, afkomstig van buiten ons melkwegstelsel. Geen mens die weet wat aan de basis ligt van die gigantische energie-uitbarstingen die nauwelijks enkele milliseconden duren.

Maar in dit verhaal bewijzen ze ons een mooie dienst. De vermiste baryonen in de gasslierten tussen sterrenstelsels verstrooien het licht van de FRB’s als een prisma. Hoe meer materie het pad van de lichtflits kruist, hoe meer verstrooiing. Als je die verstrooiing meet en de afstand tot de bron van de FRB kan achterhalen, bekom je de dichtheid van de materie in de gasslierten. Dit lukte door de ASKAP-radiotelescoop in Australië te combineren met de Very Large Telescope in Chili.

Door dit procedé op een zestal FRB’s uit verschillende sterrenstelsels toe te passen, ontstaat volgens de onderzoekers een voldoende betrouwbaar beeld van de totale baryonische materiedichtheid in het heelal. Al had het voor andere astronomen toch net iets meer mogen zijn.

En het mag wel een keertje meezitten: de onafhankelijk verkregen meetwaarde is helemaal consistent met wat je verwacht op basis van de kosmische achtergrondstraling en de nucleosynthese in het vroege heelal. Het lijkt er dan ook op dat deze ‘opsporing verzocht’ na twintig jaar zijn beslag gekregen heeft.

De bevindingen zijn op 27 mei 2020 gepubliceerd in Nature.

Amerika herontdekt de ruimte met Crew Dragon-vlucht

Al wekenlang keek het ruimtevaartwereldje reikhalzend uit naar woensdagavond. Dan zou SpaceX, in samenwerking met de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, voor het eerst een bemande ruimtevlucht lanceren. De lancering werd vanwege slechte weersomstandigheden op het laatste moment uitgesteld naar zaterdag. 

Dan hijsen de ervaren NASA-astronauten Robert ‘Bob’ Behnken en Douglas ‘Doug’ Hurley zich aan boord van de ruimtecapsule Crew Dragon. Testvlucht Demo-2 moet hen veilig naar het internationaal ruimtestation ISS loodsen. 

Als er één sterveling is die je niet voor grijze muis kan verslijten, moet het Elon Musk zijn. De ene dag haalt de ietwat excentrieke bezieler en CEO van SpaceX het nieuws door zijn zoon de onuitspreekbare naam X Æ A-Xii mee te geven, wenkbrauwenfronsende tweets te versturen of vrijuit over zijn functioneel drugsgebruik te praten. De andere dag vergapen we ons aan de haast gemillimeterde landingen van de raket Falcon 9 of aan de spectaculaire satelliettreintjes die hij rond de aarde brengt om ook de verste uithoeken van de wereld van internet te voorzien.

Tussendoor vervaardigt hij Tesla’s, waarvan er momenteel zelfs eentje in het zonnestelsel rondtoert, wil hij met een hyperloop (een soort vacuümtrein) en een tunnelnetwerk het mobiliteitsprobleem oplossen, pakt hij de klimaatopwarming aan met zonne-energie, beoogt hij met supersonische elektrische vliegtuigen een snellere en milieuvriendelijkere luchtvaart en droomt hij ervan Mars te koloniseren.

Douglas Hurley en Robert Behnken.

Een nieuw elan

Het hoeft dan ook niet te verbazen dat zijn SpaceX meteen op de kar sprong van NASA’s Commercial Crew Program, waarmee de Amerikaanse luchtvaartorganisatie zichzelf heruitvindt door de handen in elkaar te slaan met commerciële partners. Voor het eerst sinds de pensionering van de Space Shuttle in 2011, vertrekken er terug astronauten vanop Amerikaanse bodem naar de ruimte. In de afgelopen jaren moesten de VS steevast zitjes kopen op de Russische Soyoez-ruimtevaartuigen.

De generale repetitie vond plaats van 2 tot 8 maart 2019. Testvlucht Demo-1 deed toen ook al een retourtje Aarde-ISS met een Crew Dragon. Maar dat was met Ripley aan boord, een pop-in-astronautenpak. De Demo-2 met echte astronauten had daar in de loop van 2019 op moeten volgen. Maar op 20 april 2019 liep er iets fout tijdens een reeks motortesten, waardoor de eerste bemande testvlucht vertraging opliep.

Als het weer even meezit, is het deze keer echter wel prijs. Gezagvoerder Hurley, joint operations commander Behnken en de hele ploeg van medewerkers van SpaceX en NASA zijn er alvast helemaal klaar voor. De lancering vanop lanceercomplex 39A van het Kennedy Space Center in Florida stond gepland op woensdag, maar er werd uitgeweken naar zaterdag om 21:22 uur onze tijd.

Op zoek naar de vlag

Maar kijk deze keer niet uit naar de typische uitbundige taferelen bij een succesvolle missie, want ook de ruimtevaart ontsnapt niet aan de coronamaatregelen. De NASA heeft de ruimtevaartliefhebbers opgeroepen om niet naar de lanceerbasis af te zakken, maar de gebeurtenis social distancing-gewijs op het TV-kanaal van NASA te volgen.

Zowat 19 uur na de lancering moet de Crew Dragon bij het ISS aankomen en kunnen Hurley en Behnken na de koppeling met het ISS handjes schudden met de bemanning van het ruimtestation. Wanneer ze terugkeren, staat nog niet vast. Wat wel vaststaat, is dat ze de Amerikaanse vlag mee naar huis nemen. De Stars and Stripes werd in 2011 achtergelaten in het ISS door de bemanning van de laatste missie van NASA’s ruimteveer. Tekende toen ook reeds present: Doug Hurley.

Mijlpaal richting Mars?

Met de samenwerking tussen NASA en SpaceX slaan de Amerikanen drie vliegen in één klap. Ze hebben een alternatief nu het vertrouwen in Sojoez een knauw gekregen heeft na enkele incidenten met de capsule en raket. Daarmee breken ze ook de monopolypositie van de Russen om astronauten te vervoeren, wat zich vertaalde in een stevig prijskaartje per zitje. En tot slot is er uiteraard de herwonnen trots om niet langer op een andere mogendheid aangewezen te zijn.

En voor SpaceX zou het vooral een belangrijke mijlpaal betekenen, die Musks droom van een bemande missie naar Mars weer een stapje dichterbij brengt.