Onder de Geneefse bodem zoeken natuurkundigen naar de kleinste bouwstenen van het heelal

Diep onder de grond, vlakbij Genève, leggen wetenschappers van CERN natuurkundige theorieën op de pijnbank. Ook onderzoekers van de Radboud Universiteit maken gebruik van de unieke faciliteiten, zoals deeltjesfysicus Frank Filthaut. ‘De ontdekking van het Higgs-deeltje was het hoogtepunt uit mijn carrière.’

‘Kijk even welke helm je past’, zegt Frank Filthaut, wijzend naar een kapstok met een vijftal blauwe, witte en rode bouwhelmen. Die ochtend had de 56-jarige natuurkundige al gemaild met de vraag of we dichte schoenen wilden aandoen. ‘Voor het bezoek aan het Neutrino Platform is dat wenselijk.’ Zelf heeft hij net zijn grijze sneakers omgewisseld voor zwarte werkschoenen met stalen neuzen.

Met zijn zilverkleurige Citroën met Frans nummerbord heeft Filthaut ons zojuist naar dit grijze gebouw met nummer 887 gebracht, het Neutrino Platform. Van buiten ziet het eruit als een opslagloods van bol.com of Coolblue. Pakweg 40 bij 200 meter groot, kleine ramen bovenin.

Eenmaal binnen is de gelijkenis met pakketdiensten ver weg – het is een soort bouwplaats (vandaar de stalen neuzen en helmen). Manshoge stalen constructies staan verspreid over de vloer, net als blauwe vaten en grote betonblokken met bordjes ‘verboden toegang’ ernaast. Boven ons hoofd overspant een beweegbare gele stalen balk de tien meter hoge hal. In alles doet het gebouw denken aan een sciencefictionfilm, waarin wetenschappers geheimzinnige experimenten doen.

Het neutrino platform van CERN. Foto: CERN

Dat is niet eens zo ver van de realiteit. We zijn bij CERN, de Europese instelling bij Genève voor fundamenteel onderzoek naar elementaire deeltjes (zie kader). Tegen de 3000 wetenschappers van over de hele wereld doen er onderzoek, onder wie ook natuurkundigen van de Radboud Universiteit. Filthaut – lang, een glimlach op zijn gezicht en gekleed in hemdsmouwen en ribbroek – is een van hen. Hij en zijn collega’s leggen hier het zogeheten Standaardmodel op de pijnbank. Deze natuurkundige theorie beschrijft minutieus hoe allerlei verschillende elementaire deeltjes (met exotische namen als quarks, leptonen en bosonen) samen alle materie om ons heen vormen en hoe deze onderling interacteren. Kloppen de experimenten niet met de theorie, dan zet dit ons hele begrip van het universum op losse schroeven.

Voor een belangrijk deel vinden de proeven plaats in de befaamde Large Hadron Collider (LHC), een 27-kilometer lange, cirkelvormige deeltjesversneller die zich 100 meter diep onder de grond bevindt. In dit ‘grootste wetenschappelijke experiment op aarde’ laten fysici protonen met bijna de lichtsnelheid op elkaar botsen om vervolgens de brokstukken te analyseren.

Prototype

De Radboud Universiteit heeft een aanzienlijk aandeel in het natuurkundig onderzoek bij CERN. Zo was Filthaut, samen met hoogleraar Nicolo de Groot en promovendus Antonio Salvucci, betrokken bij de ontdekking van het Higgs-deeltje (‘Het hoogtepunt uit mijn carrière tot nu toe’). Het Higgs-boson geeft massa aan alle deeltjes in het heelal. Ook nu werken in CERN meerdere jonge onderzoekers die straks in Nijmegen hun proefschrift zullen verdedigen.

Filthaut loopt al in Genève rond sinds het begin van zijn promotieonderzoek in 1990, vertelt hij als we bij de reling staan die over de apparaten in het Neutrino Platform uitkijkt. ‘Ik werkte toen met Rémy Van de Walle (hoogleraar van 1963 tot 1996, red.), een van de eerste onderzoekers in Nederland die zich bezighield met deeltjesfysica.’ Inmiddels werkt de universitair hoofddocent vooral vanuit het Huygensgebouw in Nijmegen, maar momenteel is hij een half jaar in CERN. Dankzij een sabbatical heeft hij nu geen onderwijs- en managementtaken en kan hij langer in Genève zijn. Waar ‘gewone’ mensen liefst een lange vakantie nemen, gebruiken wetenschappers een sabbatical vaak om meer tijd aan onderzoek te besteden.

Goddeeltje

Het Higgs-deeltje – in vaktermen: Higgs-boson – wordt in de volksmond vaak het god particle genoemd. Omdat het zo’n cruciale plek inneemt in de theoretische modellen (het zogeheten Standaardmodel van de natuurkunde) zou het een soort goddelijke status hebben, zo gaat het verhaal. Helemaal omdat het zo lang alleen op papier bestond maar nooit waargenomen werd – tot 2012. Filthaut zet er een ontnuchterende andere verklaring tegenover. Lachend: ‘Nobelprijswinnaar Leon Lederman (1922-2018, red.) was er jarenlang vergeefs naar op zoek. Hij noemde het daarom het goddamn particle. Maar met zo’n term kon je natuurlijk niet goed voor de dag komen. Dus werd Higgs het god particle.’

Een van de projecten waarbij Filthaut betrokken is bevindt zich in dit gebouw 887, nabij het Franse dorpje Prévessin. ProtoDUNE heet het, een afkorting voor Deep Underground Neutrino Experiment. Proto geeft aan dat het hier om een prototype gaat. Dat moet waardevolle informatie gaan opleveren voor het ‘echte’, negentigmaal grotere DUNE-apparaat dat over een paar jaar in het Amerikaanse South Dakota komt te staan.

Toch is ook deze testopstelling al behoorlijk indrukwekkend: protoDUNE is een kubus van 11 bij 11 bij 11 meter, grotendeels verzonken in de bodem. De natuurkundigen testen hier hoe je de eigenschappen kunt onderzoeken van zogeheten neutrino’s, net zulke elementaire deeltjes als bijvoorbeeld Higgs-bosonen en elektronen. Spookdeeltjes worden ze ook wel genoemd, omdat ze geen lading hebben en nagenoeg geen massa. Daardoor gaan ze nagenoeg geen interactie aan met andere deeltjes – dus ook niet met detectoren. Alsof ze onzichtbaar zijn. Best lastig, als je ze wilt onderzoeken. Filthaut: ‘Elke seconde vliegen er miljarden neutrino’s door ons lijf, maar daar merken we niets van.’

Frank Filthaut. Foto: Stan van Pelt

Heel af en toe knallen neutrino’s toch op een ander deeltje. Dan ontstaat een kleine lichtflits die wel goed waar te nemen is en die informatie oplevert over hoeveel energie en massa het gebotste neutrino bevatte. Zulke botsingen vinden bij protoDUNE plaats onder gecontroleerde omstandigheden, met de stof argon. Argon, legt Filthaut uit, is namelijk betaalbaar, relatief zwaar én een edelgas – eigenschappen waardoor botsingen met neutrino’s en andere elementaire deeltjes goed te identificeren zijn.

Uiteindelijk hopen de fysici een antwoord te krijgen op een van de grootste mysteries in de natuurkunde, namelijk waarom we zo weinig antideeltjes zien in het heelal. Antideeltjes zijn de spiegelbeeldversies van ‘gewone’ deeltjes. Zo heeft het negatief geladen elektron een tweelingzusje dat het positron heet – exact hetzelfde, maar dan positief geladen (ze worden gebruikt in PET-scanners in ziekenhuizen). Volgens natuurkundige theorieën moet vlak na de oerknal evenveel materie als antimaterie ontstaan zijn. ‘Toch’, zegt Filthaut, ‘zijn we allemaal gemaakt van gewone materie, niet van antimaterie.’

ProtoDUNE zal het antimaterie-mysterie nog niet oplossen. Hier worden namelijk geen neutrino’s op het argon afgevuurd, maar andere, elektrisch geladen deeltjes. Het experiment hier bij CERN is vooral bedoeld om te testen of zo’n opstelling met argon überhaupt kán werken om botsingen te detecteren, zodat het ‘echte’ DUNE-experiment in de VS (dat wel neutrino’s zal laten botsen) straks optimaal ontworpen kan worden. Hoe houdt de elektronica zich bij zulke extreem lage temperaturen? En hoe stel je detectoren zo op dat je het beste de sporadische lichtsporen kunt waarnemen?

Thermoskan

Hoe de testopstelling van protoDUNE er praktisch uitziet, laten natuurkundig onderzoekers Chris Macias en Serhan Tufanli – dertigers met allebei een witte helm en in korte broek – zien als we afdalen naar een van de twee roodgeverfde kubussen in hal 887. Dit, vertellen ze, is een cryostaat – een soort uit de kluiten gewassen thermoskan. Filthaut: ‘Hierin zit normaal gesproken vloeibaar argon dat op een temperatuur van min 186 graden gehouden wordt.’ Dat komt heel nauw. Een paar graden kouder, en de vloeistof stolt. Wordt het iets warmer, dan verandert argon in een gas. Een metersdikke isolatielaag zorgt dat het niet te veel energie kost om de cryostaat op de juiste temperatuur te houden. De binnenruimte kan 565 kubieke meter argon bevatten, het vulproces duurt weken.

Nu is de kubus echter leeg en kunnen we binnen een kijkje nemen. ‘Het experiment ligt stil’, verklaart Filthaut, ‘want argon is momenteel te duur vanwege de oorlog in Oekraïne. Hopelijk kunnen we over een half jaar weer verder.’ Zelfs elementaire deeltjes hebben last van geopolitiek.

Langs alle zes binnenwanden zitten aluminiumkleurige metalen platen met een wafelpatroon. Kijk, wijst Filthaut naar een buis van rioolpijpformaat die boven hem schuin de kamer insteekt. ‘Daar komen de geladen deeltjes uit die op het argon botsen.’ Die deeltjes worden gevormd, vult Macias aan, wanneer protonen die afkomstig zijn van een deeltjesversneller (een halve kilometer verderop) op een brok beryllium botsen.

‘Hoe krijg je data van de detector naar de plek waar je ze kunt opslaan?’

Lamellenroosters vol elektronica die een meter of wat van de wand af staan leggen vervolgens het meterslange lichtspoor vast dat ontstaat als een geladen deeltje tegen een argon-atoom botst. Met slimme detectietechniek reconstrueert deze elektronica een driedimensionaal beeld van het lichtspoor, een soort 3D-foto.

‘Het Nijmeegse aandeel in dit project zit ‘m met name in het uitlezen en analyseren van al deze gegevens’, legt Filthaut uit. ‘Hoe krijg je data van de detector naar de plek waar je ze kunt opslaan?’ Dat klinkt misschien triviaal, maar huis-tuin-en-keukenkabels hebben veel te weinig capaciteit om de hoeveelheid meetgegevens voldoende snel te kunnen verwerken.

Filthaut en zijn collega’s hebben daarvoor geavanceerde oplossingen bedacht, die nu ingebouwd zitten in protoDUNE. ‘Het is in feite hetzelfde als in het FELIX-systeem, dat wij ook mee ontwierpen.’ FELIX is het data-verwerkingsonderdeel van ATLAS, een van de botsingsdetectoren van deeltjesversneller LHC, een paar kilometer verderop (niet te verwarren overigens met het Nijmeegse magneten- en laserlab HMFL-FELIX – die afkorting staat weer heel ergens anders voor).

Paspoortcontrole

Deze ATLAS-detector is het tweede project bij CERN waaraan Filthaut en andere Nijmegenaren werken. Het toegangsgebouw is zeven minuten rijden vanaf het Neutrino platform. De bouwhelmen blijven achter. We moeten zelfs de grens over, van Frankrijk naar Zwitserland.

Voor medewerkers hier is het routine. Filthaut: ‘CERN is heel uitgestrekt en kent feitelijk meerdere campussen, meestal ben ik daarom met de fiets. Omdat Zwitserland ook bij Schengen hoort, kun je bij de grens gewoon doorrijden.’ Elke keer dat we een terrein van een van de CERN-gebouwen oprijden daarentegen, wordt iedereen gecontroleerd. Filthaut moet zijn medewerkersbadge laten zien, media hun bezoekerspas én een paspoort.

De CMS detector van CERN. Foto: CERN

Het ATLAS-gebouw is niet te missen. Een grote kunstschildering van blauwe cirkels met daaromheen paarse ‘detectoren’ prijkt op een van de buitenmuren. In het midden staan tientallen rode lijntjes die de wegschietende brokstukken moeten voorstellen die ontstaan na een protonenbotsing. Het is een van de weinige sierlijke CERN-gebouwen. De meeste zijn anonieme kantoren met een jarentachtiguitstraling. Lage systeemplafonds, houten deuren, donker zeil op de vloer. Alles straalt uit dat de miljoenensubsidies hoofdzakelijk naar het deeltjesonderzoek gaan, niet naar moderne nieuwbouw. Gebouwen hebben hier geen namen, zoals op de Radboud Universiteit, maar nummers, die simpelweg verwijzen naar de volgorde waarin ze gebouwd zijn.

CERN

Het Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) werd in 1954 opgericht door twaalf Europese landen om gezamenlijk onderzoek te doen naar subatomaire deeltjes, de bouwstenen van het heelal. Inmiddels doen 22 landen uit Europa mee, plus Israël. Het complex, op de grens van Zwitserland en Frankrijk, kent meerdere onderzoeksfaciliteiten, waaronder een handvol cirkelvormige deeltjesversnellers (met LHC als grootste) en lineaire (rechte) versnellers.

CERN is niet één terrein, maar bestaat uit verschillende campussen, verspreid over het rurale grensgebied van Zwitserland en Frankrijk, nabij Genève.

Verschillende CERN-onderzoekers kregen Nobelprijzen, onder wie de Nederlander Simon van der Meer (1984, voor de ontdekking van W- en Z-bosonen), Georges Charpak (1994, voor de ontwikkeling van een deeltjesdetector) en Higgs-theoretici François Englert en Peter Higgs (2013).

CERN heeft een begroting van ruim een miljard euro per jaar. De Nederlandse overheid draagt daarvan ongeveer 50 miljoen bij. Huidig directeur Fabiola Gianotti krijgt in oktober een eredoctoraat uitgereikt aan de Radboud Universiteit.

De detector of de LHC-versnellerbuis zelf van dichtbij bekijken kan momenteel niet. Ze zijn volop in bedrijf: protonen razen er met de lichtsnelheid doorheen in een vacuüm – geen leefbare omstandigheden voor een mens. Op onderhoudsmomenten kun je vanaf verschillende punten bovenop de cirkelvormige deeltjesversneller afdalen naar de buis, 100 meter onder de grond.

Alle protonenbotsingen worden van afstand gemonitord, vanuit de ATLAS-controlekamer. Die doet met haar tientallen computers en grote beeldschermen aan de muur denken aan een controlekamer van een raketlanceerinstallatie. Een handvol mensen is daar geconcentreerd aan het werk.

23.376.185.243.968.853. Zoveel individuele botsingen heeft ATLAS al waargenomen, sinds de start in 2003, laat een teller in de hal zien. Aan de muur hangen informatieschermen met uitleg over de detector, naast de ingang staat een LEGO-schaalmodel in een vitrine. ‘Er vinden ongeveer 1,25 miljard botsingen per seconde plaats’, vertelt Filthaut. ‘Dat levert een enorme troep op, waar de interessante brokstukken uit gevist moeten worden. Dat is de grootste uitdaging voor ons.’

Over een tijdje worden het er zelfs 5 miljard per seconde. De zogeheten trackingdetector van ATLAS krijgt namelijk een upgrade. ‘Ik denk vooral mee in discussies over hoe we de specificaties goed kunnen krijgen voor een nieuwe detector die deze over een aantal jaar gaat vervangen.’ De trackingdetector is een soort hogesnelheidscamera die in de nanoseconden na een botsing registreert welk pad de ontstane deeltjes afleggen. ‘De huidige trackingdetector wordt helemaal vervangen omdat hij steeds minder goed werkt. De halfgeleidersensoren hebben allemaal stralingsschade opgelopen de afgelopen jaren, dat is inherent aan dit type experimenten.’ Het is een beetje te vergelijken met een camera die steeds meer dode pixels krijgt.

World Wide Web

Is het deeltjesversnelleronderzoek dan niet klaar, nu het Higgs-deeltje is ontdekt? Nee, zegt de natuurkundige resoluut. ‘We snappen nog heel veel dingen niet van het Higgs-boson. Om maar iets te noemen: het is veel lichter dan we verwachtten op basis van de gangbare theorieën.’ Doordat er straks vier keer zoveel botsingen plaatsvinden, wordt het onderzoek naar deze discrepantie makkelijker. ‘De theorie voorspelt een bepaalde statistische verdeling van de deeltjes die ontstaan als zo’n Higgs-boson zelf weer vervalt’, legt Filthaut uit. Hoe meer deeltjes je kunt waarnemen, hoe beter je hun samenstelling kunt toetsen aan wat modellen voorspellen.

Ondertussen kijken onderzoekers al verder vooruit, naar een heel nieuwe versneller, de Future Circular Collider (FCC). Die moet 90 kilometer lang worden, waardoor protonen met zeven keer meer energie op elkaar kunnen botsen en er nog meer brokstukken ontstaan. ‘Zo kunnen we alles nog preciezer bestuderen.’ Maar tegen die tijd is Filthaut al met pensioen, lacht hij. Als hij er überhaupt komt; de FCC bestaat vooralsnog alleen op de tekentafel.

‘Het is fantastisch om bezig te kunnen zijn met iets wat de wereld tot op een heel diep niveau beschrijft’

Toch, al die honderden miljoenen euro’s voor fundamenteel onderzoek, zijn die niet harder nodig op andere plekken, zoals in de zorg? ‘Robert Wilson, de oprichter van het Fermilab in de VS had daar in de jaren zeventig een mooi antwoord op’, zegt Filthaut, ‘toen hij gevraagd werd of het geld niet beter naar bijvoorbeeld defensie kon. Hij zei: “Dit soort onderzoek maakt ons land het verdedigen waard.”’ Bovendien, vervolgt de hoofddocent, heeft CERN-onderzoek ook allerlei maatschappelijke toepassingen opgeleverd. Denk aan het World Wide Web – ooit bij CERN ontwikkeld om data makkelijk tussen computers uit te kunnen wisselen – of het touchscreen. ‘En vergeet niet de protontherapie voor kankerbehandelingen. De versnellers die daarvoor nodig zijn, zijn onder meer gebaseerd op wat hier in Genève ontwikkeld is.’

Zelf wordt Filthaut vooral gedreven door de wens om de natuur zo goed mogelijk te begrijpen, vertelt hij als we afscheid nemen. ‘Dat is een diepe behoefte van de mens, denk ik.’ Wat hem betreft kan weinig tippen aan de euforie die hij voelde na de ontdekking van het Higgs-boson. ‘Het is fantastisch om bezig te kunnen zijn met iets wat enerzijds heel erg abstract lijkt, maar anderzijds de wereld tot op een heel diep niveau beschrijft, of je nu hier bent of miljarden lichtjaren verderop. Ik blijf het verbazingwekkend vinden dat een meting aan bijvoorbeeld het dipoolmoment van een elektron exact overeenkomt met wat je wiskundig voorspelt, tot twaalf of meer cijfers achter de komma.’