Een nieuw type deeltjesversneller dat lang als onhaalbaar werd beschouwd, krijgt steeds meer steun van natuurkundigen. De muon-versneller zou een revolutie kunnen betekenen voor de deeltjesfysica, die al jaren wacht op nieuwe doorbraken.
In 2022 verschenen enkele natuurkundigen op een conferentie met T-shirts waarop een simpele boodschap stond: BUILD. Het was het begin van een campagne voor een radicaal nieuw type deeltjesversneller, vertelt Tova Holmes van de Universiteit van Tennessee aan newscientist.com. "We wilden een manier vinden waarop mensen zichtbaar konden laten zien hoe enthousiast ze waren over een muon-versneller."
Die enthousiasme is niet ongegrond. De beroemde Large Hadron Collider (LHC) bij CERN nabij Genève heeft weliswaar in 2012 het bestaan van het Higgs-deeltje bevestigd, maar sindsdien zijn de echt grote ontdekkingen uitgebleven. Volgens voorstanders van de muon-versneller is het antwoord niet om steeds krachtigere opvolgers van de LHC te bouwen, maar om het spel volledig te veranderen door muonen te laten botsen in plaats van protonen.
Van fantasie naar realiteit
Muonen zijn bijzondere deeltjes die verwant zijn aan elektronen, maar ongeveer 200 keer zwaarder. Het grote probleem: ze bestaan slechts een fractie van een seconde voordat ze vervallen. Dat maakte het idee van een muon-versneller lange tijd onrealistisch. Maar technologische ontwikkelingen beginnen het concept nu haalbaar te maken, en financieringsorganisaties tonen serieuze interesse.
De LHC werkt door protonen tegen elkaar te laten botsen bij extreem hoge snelheden. Bij die botsingen ontstaan nieuwe deeltjes uit de energie die vrijkomt. Maar protonen zijn samengestelde deeltjes, opgebouwd uit kleinere quarks en gluonen. Dat maakt de botsingen rommelig en moeilijk te interpreteren.
Muonen daarentegen zijn elementaire deeltjes, net als elektronen. Botsingen tussen muonen zouden daarom veel schonere resultaten opleveren. Bovendien kunnen muonen bij lagere energieën dezelfde fysica onderzoeken als protonen bij veel hogere energieën, wat de machine compacter en mogelijk goedkoper maakt.
Zoektocht naar nieuwe fysica
De deeltjesfysica verkeert in een crisis. Ondanks de triomf van de ontdekking van het Higgs-deeltje, heeft de LHC geen tekenen gevonden van nieuwe deeltjes of krachten die buiten het Standaardmodel vallen. Dat model beschrijft weliswaar alle bekende deeltjes en krachten met grote precisie, maar laat fundamentele vragen onbeantwoord.
Waarom bestaat er bijvoorbeeld meer materie dan antimaterie in het universum? Volgens scientificamerican.com hebben experimenten bij de LHC wel nieuwe verschillen tussen materie en antimaterie ontdekt in bepaalde deeltjes, maar die verklaren nog niet het grote onevenwicht in het universum.
Ook zoeken natuurkundigen naar zogenoemde 'spookdeeltjes' die mogelijk een sleutel vormen tot een dieper begrip van de werkelijkheid. Volgens bbc.com heeft CERN een experiment goedgekeurd dat duizend keer gevoeliger is dan eerdere instrumenten om deze ongrijpbare deeltjes op te sporen.
Kwantumfenomenen in beeld
Intussen wordt de LHC ook ingezet voor nieuwe doeleinden. Volgens quantamagazine.org gebruiken natuurkundigen de versneller nu om kwantumfenomenen te onderzoeken, waaronder een bijzondere vorm van kwantumverstrengeling die 'magisch' wordt genoemd. Bij botsingen ontstaan top-quarks en anti-top-quarks die kwantummechanisch met elkaar verstrengeld blijven, zelfs terwijl ze uit elkaar vliegen.
Deze experimenten tonen aan dat grote deeltjesversnellers meer kunnen dan alleen op zoek gaan naar nieuwe deeltjes. Ze bieden ook een uniek laboratorium om de vreemde wetten van de kwantummechanica te bestuderen bij extreme energieën.
Uitdagingen en toekomst
De bouw van een muon-versneller blijft een enorme technische uitdaging. De korte levensduur van muonen betekent dat ze versneld moeten worden tot bijna de lichtsnelheid voordat ze vervallen. Dat vereist geavanceerde technieken om bundels muonen te produceren, af te koelen en te versnellen in een fractie van de tijd die beschikbaar is voor protonen.
Toch groeit het vertrouwen dat deze obstakels overwonnen kunnen worden. Financieringsorganisaties en onderzoeksinstellingen wereldwijd bestuderen nu serieus de haalbaarheid van het project. Als de muon-versneller werkelijkheid wordt, zou het een nieuw venster kunnen openen op de fundamentele bouwstenen van de werkelijkheid.
Voor natuurkundigen als Holmes is de inzet duidelijk: de deeltjesfysica heeft een nieuwe impuls nodig, en de muon-versneller zou wel eens het instrument kunnen zijn dat de volgende grote doorbraak mogelijk maakt. Of die doorbraak er komt, zal de tijd moeten leren. Maar één ding is zeker: de T-shirts zijn alvast gedrukt.