Het grootste deel van het universum bestaat uit materiaal dat we niet kunnen zien of detecteren. Een nieuw experiment bij CERN gaat op zoek naar deze ‘spookdeeltjes’.

Sommige natuurkundigen vermoeden dat mysterieuze ‘spookdeeltjes’ ons begrip van het universum enorm kunnen verbeteren. En ze denken nu manier te hebben om te bewijzen of ze bestaan of niet. Het Europese deeltjesinstituut CERN heeft een nieuw experiment (SHiP) goedgekeurd, dat duizend keer gevoeliger zal zijn voor zulke deeltjes dan vorige experimenten en instrumenten.  

Lees ook:

• Wat heeft CERN allemaal voor kwaad in de zin?
• Is het W-boson nou te zwaar of niet? ATLAS presenteert nieuwe meting

Wat zijn die spookdeeltjes?

Het standaardmodel is momenteel een van de belangrijkste theorie binnen de deeltjesfysica. Volgens dit model is alles in het universum opgebouwd uit een familie van zeventien elementaire deeltjes – deze deeltjes zijn niet meer in te splitsen in andere, kleinere deeltjes. Bekende voorbeelden zijn de elektronen en fotonen, maar er zijn ook minder bekende deeltjes, zoals de gluonen en tau neutrino’s.

Het standaardmodel is bij lange na niet volledig; er zijn nog veel open vragen. Eén daarvan komt vanuit de sterrenkunde. Astronomen vermoeden, onder andere op basis van hoe het licht wordt gebogen in de ruimte, dat we slechts 5 procent van het universum kunnen waarnemen. De andere 95 procent zou bestaan uit donkere materie en donkere energie die we niet kunnen zien of detecteren. En die materie zou (deels) kunnen zijn opgebouwd uit ‘spookdeeltjes’, of ‘hidden particles’ – een soort ongrijpbare dubbelgangers van de zeventien elementaire deeltjes van het standaardmodel.

Botsende protonen

Als zulke spookdeeltjes bestaan, is het ongelooflijk moeilijk om ze te detecteren. Ze gaan namelijk nauwelijks een interactie aan met elementaire deeltjes, en dus de wereld die wij kennen. Als een soort spoken bewegen ze door alles heen en kunnen daardoor niet worden gedetecteerd door onze instrumenten.

De Search for Hidden Particles (SHiP) moet dat probleem omzeilen. Tijdens dit experiment wordt een krachtige protonenstraal (protonen zijn kleine deeltjes, maar geen elementaire deeltjes) afgevuurd op een oppervlak. Als de protonen botsen, ontstaan er mesonen (ook niet-elementaire deeltjes). Die mesonen vallen uit elkaar in elementaire deeltjes en – als ze bestaan – spookdeeltjes.

De ontstane hidden particles kunnen niet rechtstreeks worden gemeten, maar hun aanwezigheid en eigenschappen kunnen mogelijk wel worden afgeleid uit de geobserveerde effecten van het verval van de mesonen.

Meer botsingen

De grote deeltjesversneller van CERN, de Large Hadron Collider (LHC), heeft op een vergelijkbare manier gezocht naar hidden particles, zonder succes. Maar de LHC laat protonen met elkaar botsen, om zo elementaire deeltjes te produceren. De kans dat twee protonen tegen elkaar botsen is echter veel kleiner dan wanneer je een protonenstraal tegen een ‘muur’ aan schiet. SHiP zal dus meer elementaire deeltjes produceren, waardoor in theorie ook meer spookdeeltjes zullen ontstaan. Dit maakt het instrument waarschijnlijk duizend keer gevoeliger dan de LHC – althans, voor dit doeleinde.

SHiP maakt grotendeels gebruik van de infrastructuur die nu al bij CERN aanwezig is. Volgens de planning kan het meer dan 100 miljoen euro kostende experiment rond 2030 beginnen.

Nieuwe deeltjesversneller

CERN wil in de toekomst een nog grotere versie van de LHC bouwen, die onder andere ook op zoek zal gaan naar spookdeeltjes. De zogenoemde Future Circular Collider (FCC) is een ondergrondse cirkelvormige deeltjesversneller die een omtrek heeft van maar liefst 100 kilometer. De bouw ervan kost ongeveer 20 miljard euro en moet – als alle plannen worden goedgekeurd – ergens in de jaren dertig beginnen. Het zal vervolgens tot minstens 2070 duren voordat alle onderdelen van de FCC zijn voltooid.

Bronnen: Imperial College London, BBC

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!