Sinds de LHC in 2008 voor het eerst werd ingeschakeld, heeft de deeltjescollider met een omtrek van 27 km protonen tegen elkaar gesmeten met energieën tot 13 TeV in de jacht op nieuwe deeltjes. In 2012 maakten natuurkundigen bekend dat zij het Higgs boson met een massa van 125 GeV hadden ontdekt. Dit leidde ertoe dat François Englert en Peter Higgs in 2013 de Nobelprijs voor natuurkunde in ontvangst mochten nemen voor hun theoretische voorspellingen van het deeltje. Sindsdien zijn echter geen deeltjes buiten het Standaardmodel, zoals supersymmetrische partners, gevonden.
Terwijl de LHC nog enkele decennia zal draaien voordat hij definitief wordt uitgeschakeld, voeren fysici al meer dan drie decennia R&D uit aan lineaire colliders die ooit de opvolger van de LHC zouden kunnen zijn. Een van de belangrijkste ontwerpinspanningen is de International Linear Collider (ILC), die elektronen en positronen zou versnellen met behulp van supergeleidende holten. Aangezien elektronen en positronen fundamentele deeltjes zijn, zijn hun botsingen schoner dan de proton-proton botsingen bij de LHC, zodat zij ideaal zijn om deeltjes in groot detail te bestuderen.
Japan is het enige land dat belangstelling heeft getoond voor het onderbrengen van de ILC, maar de Japanse regering heeft lang getreuzeld met het nemen van een beslissing over het al dan niet onderbrengen van de machine. Dit heeft natuurkundigen ertoe gedwongen hun ontwerp voor de ILC onlangs terug te schroeven van 500 GeV naar 250 GeV, waarbij de Japanse regering naar verwachting in maart een definitief besluit zal nemen over het al dan niet huisvesten van de ILC.
Toch zien deeltjesfysici nog steeds voordelen in het aanhouden van grote circulaire colliders, niet in het minst omdat zij veel ervaring hebben met het bouwen daarvan. Van 1989 tot 2000 exploiteerde CERN bijvoorbeeld de Large Electron-Positron Collider (LEP), die zich in dezelfde tunnel bevond waarin nu de LHC is ondergebracht en nauwkeurige metingen verrichtte aan de Z- en W-bosonen. En gezien de relatief lage massa van de Higgs zou een circulaire collider hogere helderheden kunnen produceren zonder enorme verliezen te lijden van synchrotronstraling, die van invloed zou zijn op een collider die werkt bij hogere energieën van 500 GeV.
Precisiestudies
Het FCC-project werd in 2013 geïnitieerd door de Europese deeltjesfysica-gemeenschap met een vergadering die het jaar daarop in Genève werd gehouden om te beginnen met het werk aan het rapport. Het nieuwe, vierdelige conceptuele ontwerprapport bekijkt de haalbaarheid van de bouw van een 100 km cirkelvormige collider en onderzoekt de fysica die zo’n potentiële machine zou kunnen uitvoeren. In de eerste plaats wordt gepleit voor de bouw van een ondergrondse tunnel van 100 km waarin een elektronen-positronen-collider (FCC-ee) zou worden ondergebracht. Deze machine zou bestaan uit 80 km buigmagneten om de bundel te versnellen, alsmede quadrupoolmagneten die de bundel focussen alvorens deze op twee punten in de ring te laten botsen.
Het conceptuele ontwerp-rapport over de FCC is een opmerkelijke prestatie. Het toont het enorme potentieel van de FCC om onze kennis van de fundamentele fysica te verbeteren en veel technologieën met een brede impact op de samenleving vooruit te helpen
Fabiola Gianotti
De FCC-ee – waarvan de kosten op ongeveer 9 miljard dollar worden geraamd, waarvan 5 miljard dollar zou worden gebruikt voor de bouw van de tunnel – zou gedurende een periode van 15 jaar bij vier energieën werken. De collider zou beginnen bij 91 GeV, waarbij in vier jaar ongeveer 1013 Z-bosonen zouden worden geproduceerd, en vervolgens bij 160 GeV 108 W+- en W- deeltjes produceren gedurende een periode van twee jaar. Hoewel de W- en Z-deeltjes al zijn gemeten door de LEP-collider, wordt geschat dat de FCC-ee-machine dergelijke metingen met een orde van grootte zou verbeteren.
Door vervolgens drie jaar lang op 240 GeV te draaien, zou de FCC-ee zich concentreren op het creëren van een miljoen Higgs-deeltjes. Dit zou natuurkundigen in staat stellen de eigenschappen van het Higgs-boson te bestuderen met een nauwkeurigheid die een orde van grootte beter is dan wat nu mogelijk is met de LHC. Ten slotte zou de botser een jaar lang worden stilgelegd om hem voor te bereiden om op ongeveer 360 GeV te draaien en gedurende vijf jaar een miljoen top- en anti-topparen te produceren. Preciezere metingen van dergelijke deeltjes kunnen afwijkingen van de voorspellingen van het Standaardmodel aan het licht brengen die op nieuwe fysica kunnen wijzen.
Zodra het fysicaprogramma voor de FCC-ee is voltooid, zou dezelfde tunnel vervolgens kunnen worden gebruikt om een proton-proton-collider (FCC-hh) onder te brengen, ongeveer zoals LEP plaats heeft gemaakt voor de LHC. “De FCC zou een antwoord kunnen zijn op de actie van LEP en de LHC”, zegt theoreticus John Ellis van het Kings College London. “Een proton-proton collider zou de beste kans bieden om nieuwe deeltjes te ontdekken”.
China onthult blauwdruk voor enorme ondergrondse ‘Higgs-fabriek’
De FCC-hh zou de LHC en zijn voorinjectorversnellers gebruiken om de botser te voeden die een topenergie van 100 TeV zou kunnen bereiken – zeven keer groter dan de LHC. Om dergelijke botsingsenergieën te kunnen produceren, moeten echter nieuwe magneten worden ontwikkeld die met hogere magneetvelden werken om de bundel rond de botser te sturen. De LHC werkt momenteel met 8 T supergeleidende magneten, gemaakt van niobium-titanium (NbTi)-legeringen. Supergeleidende magneten worden gebruikt omdat zij hoge stromen mogelijk maken zonder energie te verliezen door elektrische weerstand. Voor de FCC-hh, met bundels van 50 GeV, zouden echter 16 T-magneten nodig zijn, gemaakt van niobium-tin (Nb3Sn) supergeleider.
De LHC wordt momenteel twee jaar stilgelegd om de lichtsterkte – een maat voor de botsingssnelheid van deeltjes – met een factor 10 te verbeteren. Onder de naam High-Luminosity LHC (HL-LHC) wil men dit materiaal op de proef stellen met behulp van 11 T Nb3Sn supergeleidende dipoolmagneten. Er moet echter nog meer R&D worden uitgevoerd voordat ze kunnen worden gebruikt bij 16 T. Gezien de behoefte aan R&D en de hoge constructiekosten van de magneten, zouden de geraamde kosten van de HL-LHC ongeveer 15 miljard dollar bedragen, vergeleken met ongeveer 13 miljard dollar voor de totale kosten van de LHC.
Het is van groot belang dat deze onderneming als een wereldwijde samenwerking wordt uitgevoerd. Dit opent de mogelijkheid van substantiële bijdragen in natura
Michael Benedikt
De FCC-hh zou een totale geïntegreerde helderheid hebben van ongeveer 15-20 ab-1 – een factor 5-10 meer dan die welke wordt geproduceerd bij de HL-LHC – en overeenkomend met 1010 Higgs bosonen die worden geproduceerd. De FCP zou ook worden gebruikt om te zoeken naar nieuwe deeltjes met hogere massa’s dan mogelijk is bij de LHC en om het bestaan van thermische donkere-materiedeeltjes, bekend als WIMP’s, te ontdekken of uit te sluiten. Net als de LHC zou de FCC-hh ook kunnen worden gebruikt als collider voor zware ionen, waarbij loodionen bij 39 TeV tegen elkaar worden gesmeten om effecten zoals een quark-gluon plasma te bestuderen. Geschat wordt dat de collider minstens 25 jaar operationeel zou zijn om “een onderzoeksinstrument te verschaffen tot het einde van de 21e eeuw”.
“Het conceptuele ontwerp-rapport van de FCC is een opmerkelijke prestatie. Het toont het enorme potentieel van de FCC om onze kennis van de fundamentele fysica te verbeteren en veel technologieën met een brede impact op de samenleving vooruit te helpen,” zegt Fabiola Gianotti, directeur-generaal van het CERN. “Hoewel de FCC nieuwe, ontzagwekkende uitdagingen met zich meebrengt, zou zij veel baat hebben bij de deskundigheid, het versnellingscomplex en de infrastructuur van CERN, die in meer dan een halve eeuw zijn ontwikkeld.”
Show me the money
Gezien de enorme kosten van de bouw van de FCC zou deze brede steun van de gemeenschap nodig hebben en daarom zijn ambtenaren bij CERN de afgelopen jaren druk bezig geweest met het opbouwen van een samenwerkingsverband dat nu bestaat uit 135 instellingen in 34 landen. “Het is echt belangrijk dat dit project als een wereldwijde samenwerking wordt uitgevoerd”, zegt Michael Benedikt, natuurkundige bij het CERN en leider van het FCC-project. “Dit opent de mogelijkheid van substantiële bijdragen in natura van partijen die experts zijn in het bouwen van onderdelen van zo’n machine.”
Zelfs als natuurkundigen financiële steun krijgen om de FCC te bouwen, is er de vraag wanneer te beginnen met het bouwen van de machine. Een van de opties is om te beginnen met een verdubbeling van de energie van de LHC tot ongeveer 30 TeV met een upgrade naar hoge energie (HE-LHC). Benedikt denkt echter dat het misschien mogelijk is om de HE-LHC over te slaan en in plaats daarvan rechtstreeks naar de FCC te gaan. In dat geval zou het HL-LHC-programma parallel lopen met de bouw van de FCC-tunnel en rond 2037 worden stopgezet. De FCC-ee zou dan rond 2040 in bedrijf worden genomen.
Bouwen van de volgende collider
Het CERN is echter niet de enige die nieuwe ontwerpen voor circulaire colliders ontwikkelt. In november onthulden natuurkundigen in China het concept voor een eigen tunnel van 100 km, waarin eerst een elektron-positronmachine zou worden ondergebracht en daarna een proton-proton-collider met een vermogen van 100 TeV. Hoewel de bouw van de Chinese collider eerder zou kunnen beginnen dan die van de FCC, zijn er volgens Benedikt veel overeenkomsten tussen de twee ontwerpen. “Dat is een goede zaak,” voegt Benedikt eraan toe. “De aanzienlijke inspanning van China bevestigt dat dit een geldige optie is en dat er veel belangstelling is voor zo’n machine.”
Analyse: Let’s go round again?
Het is een eenvoudig genoeg vraag, maar het antwoord blijkt nogal lastig: is een circulaire of lineaire botser de beste manier om precieze metingen aan het Higgs-boson uit te voeren?
Terwijl de Large Hadron Collider (LHC) van CERN een overvloedige hoeveelheid Higgs-bosonen heeft geproduceerd sinds het deeltje in 2012 werd ontdekt, zijn proton-proton botsingen niet de beste manier om de precieze eigenschappen van een deeltje te bestuderen. Dat komt omdat protonen geen elementaire deeltjes zijn en dus produceren hun botsingen brokstukken die de nauwkeurigheid van de metingen beïnvloeden.
Dat is echter niet het geval wanneer elektronen en positronen tegen elkaar botsen en dat is de reden waarom deeltjesfysici zo’n machine willen bouwen om het Higgs boson te bestuderen en te proberen kleine afwijkingen te spotten die hints zouden kunnen geven over fysica buiten het Standaard Model.
Jarenlang hebben natuurkundigen lineaire botsmachines ontworpen die op de TeV-schaal zouden werken. Eén zo’n toonaangevend ontwerp is de International Linear Collier (ILC), waarvoor Japan belangstelling heeft getoond, zij het in een goedkopere versie die werkt bij 250 GeV.
Door de noodzaak om energieverliezen van synchrotronstraling te ondervangen wanneer elektronen rond de ring worden versneld, bieden lineaire botsmachines een hogere lichtkracht – een maat voor de snelheid van de deeltjesbotsingen – vergeleken met hun cirkelvormige tegenhangers voor botsingsenergieën van meer dan 400 GeV. Maar bij energieën onder deze drempel hebben circulaire botsmachines een hogere lichtkracht dan lineaire botsmachines – en kunnen ze ook meerdere detectoren rond de ring huisvesten.
Als de massa van het Higgs-boson rond 500 GeV of meer lag, zouden de meesten het erover eens zijn dat een lineaire botsmachine de beste manier is om vooruitgang te boeken. Maar nu de Higgs-massa 125 GeV bedraagt, is er een tamelijk grote lichtkrachtcurve in het spel gebracht. Hierdoor zijn circulaire colliders weer op de tekentafel beland en de afgelopen vijf jaar zijn natuurkundigen bezig geweest met het ontwerpen van mogelijke alternatieven. Dit heeft geresulteerd in twee recente voorstellen – de Future Circular Collider (zie hoofdtekst) en China’s Circular Electron Positron Collider, waarvan het ontwerp afgelopen november is vrijgegeven.
Cirkelvormige ontwerpen moeten weliswaar de kosten dragen van de bouw van een enorme ondergrondse tunnel, maar zij maken dit ruimschoots goed door hun veelzijdigheid en het feit dat natuurkundigen tientallen jaren ervaring hebben met de bouw ervan. Dezelfde tunnel van 100 km zou bijvoorbeeld ook kunnen worden gebruikt voor een proton-protonmachine die op 100 TeV werkt en die zou worden gebruikt om op nieuwe deeltjes te jagen.
De technologie voor zowel een ILC als een 100 km elektron-positronencollider is klaar, maar gezien de torenhoge prijskaartjes voor beide, zouden alle ontwerpen een grote mate van internationale samenwerking vereisen. In feite wordt algemeen aangenomen dat Japan slechts de helft van de kosten van de 7,5 miljard dollar kostende ILC zal financieren.
Als er slechts één machine wordt gebouwd, wat waarschijnlijk lijkt, is de vraag welke? De lijnen van de strijd zijn getrokken.