Een deeltjesversneller die nog sterker en groter is dan de LHC? Die kun je kwijt op, of eigenlijk om de maan, schrijven twee experts van het deeltjeslab CERN.

Op een paar kleine aanwijzingen na tasten de deeltjesfysici van vandaag in het duister. Waar zijn de sporen van onbekende natuurverschijnselen die de deeltjesversneller LHC van CERN onder Genève had moeten leveren, de experimentele hints die leiden tot één overkoepelende theorie van alles? Grotere, sterkere deeltjesversnellers is dan het antwoord, om elementaire deeltjes met nóg meer energie op elkaar te jagen en te kijken hoe in een flits nieuwe, nog onbekende reacties plaatsvinden.

Maar de techniek heeft zo zijn grenzen. Ook na de upgrade die nu wordt uitgevoerd haalt de 27 kilometer lange LHC geen hogere botsingsenergie dan 14 tera-elektronvolt, en zelfs de mogelijke opvolger FCC van 100 kilometer lang tikt net 100 TeV aan. Te weinig om de natuurkunde écht op de pijnbank te leggen, vrezen experts.

Op de site voor wetenschappelijke voorpublicaties arXiv gooien deeltjesfysici James Beacham en Frank Zimmermann de knuppel in het hoenderhoek: een écht sterke deeltjesversneller moet je niet bouwen op aarde maar op de maan. Hoe serieus moeten we de Circular Collider on the Moon nemen en wat zou je kunnen met een 11.000 kilometer lange versneller die langs de omtrek van de maan loopt? KIJK sprak met deeltjesfysici Tristan du Pree (deeltjeslab Nikhef) en Jordy de Vries (Nikhef en Universiteit van Amsterdam) om daarachter te komen.

Dit is een verlate 1 aprilgrap, toch?

Nou nee. Du Pree: “Het is natuurlijk makkelijk om te zeggen ‘wat een onzinnig idee’, maar op zich is dit ontwerp wel logisch als je nadenkt over de grootste versneller die we zouden kunnen bouwen. Handig om een referentie-paper te hebben waar de voor- en nadelen in staan en van daaruit verder te denken.” 

“Ik denk dat dit quasi-serieus bedoeld is,” zegt De Vries, “meer een soort van vingeroefening ter inspiratie dan een serieus ontwerp om te bouwen.” De twee auteurs staan goed bekend in de versnellergemeenschap; geen buitenstaanders die een ongefundeerd idee op arXiv gooien dus. Al zou je in de verleiding kunnen komen om dat toch te denken.

De maanversneller zou in een tunnel rondom de maan moeten komen, tientallen tot honderden meters onder het oppervlak om de honderden graden temperatuurverschil tussen dag- en nacht te ontlopen. Zo’n tunnel beschermt natuurlijk ook  tegen de inslag van meteorieten. Dat betekent 11.000 kilometer aan supergeleidende magneten, vacuümbuizen en detectoren lanceren vanaf de aarde en ingraven… of de benodigde apparatuur ter plekke bouwen met grondstoffen uit de maanbodem. Een kostenplaatje geven Beacham en Zimmermann overigens niet.

Waarom moet die versneller zo groot zijn?

Hoe groter de omtrek van een deeltjesversneller, hoe sneller hij zijn deeltjes rond kan jagen zonder dat ze uit de bocht vliegen. De maanversneller zou zo groot zijn als de omtrek van de maan. Daardoor zou hij een botsingsenergie kunnen halen van 14.000 tera-elektronvolt (TeV): duizend keer de energie van de LHC. Zelfs de Future Circular Collider, de mogelijke LHC-opvolger, komt met zijn 100 kilometer omtrek maar tot 100 TeV.

Niets aan de Circular Collider on the Moon lijkt klein – of ook maar een beetje haalbaar met de huidige techniek. Al werkt de NASA in zijn Artemis-programma aan een terugkeer naar de maan, compleet met de mogelijkheid om onderzoeksfaciliteiten aan te leggen zoals een enorme radiotelescoop – of een deeltjesversneller.

“Het voordeel is natuurlijk dat de maan leeg en rustig is, dus het heeft wel z’n voordelen”, filosofeert Du Pree. “Realistisch is het voor een versneller natuurlijk niet echt, het is nog steeds praktischer een heel grote tunnel op Aarde te maken.”

Waarom zou je zo’n monsterversneller willen bouwen?

“Waarom? Nou ja, waarom niet?”, geint experimentator Du Pree. “Als je een factor duizend hoger gaat in energie, dan sla je wel gelijk een flink gat. Dan weet je echt zeker of bepaalde theorieën definitief naar de prullenbak kunnen of dat we echt helemaal een andere richting op moeten denken. Al zou ik ook al blij zijn met een factor tien, zoals met de FCC.”

De Vries: “Er zijn nog zoveel open vragen. Wat is donkere materie? Waarom is er meer materie dan antimaterie in het heelal? Hoe krijgen vederlichte neutrino’s hun piepkleine massa van het higgsdeeltje? Daar heeft de theorie van het Standaard Model geen antwoord op en komen we alleen uit met nieuwe metingen bij hogere energie.”

“Het probleem is wel dat we op basis van de huidige inzichten geen duidelijke aanwijzing hebben dat de energie van die maanversneller ook echt de problemen kan kraken waar we nu mee zitten”, geeft De Vries toe.

Hoe haalbaar is het idee?

“Klein nadeel van dit maanontwerp is wel dat je een deel van het zonnestelsel zou moeten betegelen met een Dyson-sphere van zonnepanelen om de benodigde 10 terawatt aan stroom te leveren”, spot De Vries op Twitter. Per e-mail licht hij toe: “Dat is ongeveer de helft van het huidige wereldenergieverbruik. De auteurs denken dat je dat kunt opwekken met gigantische velden van zonnepanelen op de maan. Of met kernfusiereactoren – technieken die op aarde nog niet eens werken.”

“Potentieel uitdagend”, noemen de twee auteurs de energievraag van hun ontwerp droogjes. Er zijn dus zacht gezegd nog wat technische hordes te nemen voor we deeltjes rondjagen op de maan.

Is het de moeite waard?

Ook al lijkt de maanversneller onbegonnen ingewikkeld, toch denkt Du Pree dat het goed is om het ontwerp te hebben: als referentie voor wat er met de bestaande techniek mogelijk is. “Maar het lijkt me beter om onze versnellertechnieken te verbeteren in plaats van simpelweg grotere versnellers neer te zetten.”

Ooit dacht deeltjesfysicus Enrico Fermi dat we rond 2020 een 8000 kilometer lange versneller nodig zouden hebben voor de volgende stap in de deeltjesfysica. Maar Fermi’s ontwerp was minder krachtig geweest dan de huidige LHC met zijn 27 kilometer: de techniek staat niet stil, wil deeltjesfysicus Du Pree maar zeggen. Wie weet is die maanversneller dichterbij dan we denken.

Bronnen: ArXiv, Tristan du Pree, Jordy de Vries

Beeld: CERN Daniel Dominguez, Maximilien Brice/CERN

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