10 Grootste Deeltjesversnellers Ter Wereld

Op het Japanse eiland Honshu, in de wetenschapsstad Tsukuba, draait een machine die qua omtrek bescheiden is maar qua precisie ongeëvenaard. De SuperKEKB is een electron-positronbotsingsmachine met een omtrek van iets meer dan drie kilometer. De versneller schiet elektronen en hun antideeltjes, positronen, in tegengestelde richting door twee afzonderlijke ringen en laat ze op vier punten frontaal op elkaar botsen.

Het doel is niet zozeer om recordenergieën te bereiken, maar om enorme hoeveelheden B-mesonen te produceren. Dat zijn instabiele deeltjes die snel uiteenvallen, en in dat verval zit een subtiel verschil tussen materie en antimaterie. De Belle II-detector, die de botsingen analyseert, zoekt naar de kleinste scheefheid in dat verval. Die scheefheid, CP-schending genoemd, zou kunnen verklaren waarom het heelal bestaat uit materie in plaats van een gelijke mix van materie en antimaterie.

In juni 2020 vestigde de SuperKEKB een wereldrecord: de hoogste instantane luminositeit ooit bereikt in een botsingsversneller, waarmee het zelfs de LHC overtrof. Luminositeit meet hoeveel botsingen per seconde per oppervlakte-eenheid plaatsvinden. Hoe hoger de luminositeit, hoe meer data wetenschappers verzamelen en hoe groter de kans op zeldzame processen. Japan investeert met de SuperKEKB bewust in precisie boven brute kracht.

De langste rechte lijn in de deeltjesfysica loopt onder een snelweg in Californië. De lineaire versneller van het SLAC National Accelerator Laboratory, bijna 3,2 kilometer lang, versnelt elektronen door een koperen buis met bijna 100.000 individuele holtes. Toen het apparaat in 1966 in bedrijf werd genomen, was het het grootste civiele wetenschapsproject dat de Amerikaanse overheid ooit had ondernomen.

De ontdekkingen die volgden waren baanbrekend. In 1968 leverden experimenten bij SLAC het eerste directe bewijs voor het bestaan van quarks, de bouwstenen van protonen en neutronen. Richard Taylor, Jerome Friedman en Henry Kendall kregen er in 1990 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor. Later volgde de ontdekking van het charm-quark en het tau-lepton, elk goed voor weer een Nobelprijsceremonie in Stockholm. In totaal leverden SLAC-experimenten drie Nobelprijzen op.

De lineaire versneller heeft een opmerkelijke tweede carrière. Tegenwoordig fungeert het eerste deel als ruggengraat van de Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), de krachtigste röntgenlaser ter wereld. Daarvoor werd een groot deel van de originele koperen versnellerstructuur vervangen door supergeleidende technologie. Van deeltjesbotsingsmachine tot röntgenmicroscoop: de versneller heeft zich telkens opnieuw uitgevonden zonder dat zijn 3,2 kilometer ooit korter werd.

Op Long Island, een uur rijden ten oosten van Manhattan, ligt een zeshoekige ring van 3,83 kilometer die materie terugbrengt naar de eerste microseconden na de oerknal. De Relativistic Heavy Ion Collider, kortweg RHIC, is de enige operationele deeltjesversneller ter wereld die specifiek ontworpen is om zware ionen met elkaar te laten botsen. Goudkernen, gestript van hun elektronen, worden tot 99,99 procent van de lichtsnelheid versneld en frontaal op elkaar geschoten.

Bij die botsingen wordt zo veel energie vrijgemaakt dat protonen en neutronen letterlijk smelten. Quarks en gluonen, normaal gesproken opgesloten in protonen, komen kort vrij en vormen een quark-gluonplasma. Dat plasma is een toestand van materie die vermoedelijk het hele universum vulde in de eerste microseconden na het ontstaan ervan. Bij RHIC bereikt dit plasma een temperatuur van circa 4 biljoen graden Celsius, zo'n 250.000 keer heter dan de kern van de zon. In 2012 erkende Guinness World Records dat als de hoogste door mensen gemaakte temperatuur ooit.

Wat wetenschappers niet hadden verwacht: het quark-gluonplasma gedroeg zich niet als een gas, maar als een bijna wrijvingsloze vloeistof. Dat veranderde het begrip van hoe materie zich onder extreme omstandigheden gedraagt fundamenteel. De STAR-detector bij RHIC blijft tot op de dag van vandaag data verzamelen, onder meer over de spin van protonen en de eigenschappen van exotische materie.

Dertig jaar lang was het Tevatron de trots van de Amerikaanse deeltjesfysica. De circulaire versneller op het terrein van Fermilab, net buiten Chicago, had een omtrek van 6,28 kilometer en was de eerste machine ter wereld die deeltjes tot een energie van 1 teraelektronvolt (TeV) versnelde. Vandaar de naam. Protonen en antiprotonen vlogen in tegengestelde richting door dezelfde ring en botsten bij twee detectoren: CDF en DZero.

De bekendste ontdekking was die van het top-quark in 1995, het zwaarste van de zes quarks en het laatste dat nog ontbrak in het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Het top-quark bleek bijna zo zwaar als een goudatoom, wat niemand had verwacht voor een elementair deeltje. Die ontdekking bevestigde een cruciale voorspelling van de theorie en gaf aanwijzingen voor waar het higgsboson gevonden zou kunnen worden.

Het Tevatron werd in september 2011 stilgelegd, deels vanwege bezuinigingen en deels omdat de LHC inmiddels operationeel was met aanzienlijk hogere energieën. In zijn laatste jaren leverde het Tevatron nog belangrijke metingen op van de massa van het W-boson en de eigenschappen van het top-quark. De supergeleiders die het hart van de machine vormden, waren destijds pionierstechnologie. Tegenwoordig staat de ring er stil bij, maar de infrastructuur van Fermilab blijft in gebruik voor neutrinoexperimenten.

In de buitenwijken van Hamburg lag vijftien jaar lang de meest ongewone deeltjesversneller ter wereld. HERA, de Hadron-Elektron-Ring-Anlage, was geen gewone botsingsmachine. Waar andere versnellers identieke deeltjes op elkaar schieten, combineerde HERA twee fundamenteel verschillende bundels: elektronen van 27,5 gigaelektronvolt (GeV) en protonen van 920 GeV, circulerend in tegengestelde richting door twee aparte ringen in dezelfde tunnel van 6,3 kilometer.

Die combinatie was geen gril maar een bewuste keuze. Elektronen zijn puntdeeltjes zonder interne structuur. Door ze op protonen te schieten, fungeren ze als een soort ultraprecies vergrootglas. HERA kon de binnenkant van het proton in kaart brengen met een resolutie die geen enkel ander instrument kon evenaren. De experimenten H1 en ZEUS leverden gedetailleerde metingen op van hoe quarks en gluonen zich verdelen binnen het proton, essentiële data die later cruciaal bleken voor de interpretatie van metingen bij de LHC.

HERA was ook een technologisch kunstwerk. Het was het eerste laboratorium dat zowel supergeleidende magneten (in de protonenring) als supergeleidende radiofrequentie-versnellingsstructuren (voor de elektronenring) inzette. Die combinatie compenseerde de enorme energieverliezen door synchrotronstraling bij de lichte elektronen. Na vijftien jaar trouwe dienst werd HERA in 2007 stilgelegd. Geen enkele opvolger is gebouwd, waardoor de unieke dataset van HERA tot op heden onvervangbaar is.

Voordat de LHC alle aandacht opeiste, was de Super Proton Synchrotron de absolute ster van CERN. De SPS, met een omtrek van 6,9 kilometer, was bij de ingebruikname in 1976 de eerste ondergrondse reuzenring van het laboratorium en de eerste deeltjesversneller die de Frans-Zwitserse grens doorkruiste. Oorspronkelijk ontworpen voor 300 GeV, haalde het apparaat bij de officiële inschakeling meteen 400 GeV, honderd meer dan gepland.

Het meest glorieuze moment kwam in 1983. Onder leiding van Carlo Rubbia was de SPS omgebouwd tot een proton-antiprotonbotsingsmachine. De experimenten UA1 en UA2 detecteerden de W- en Z-bosonen, de dragerdeeltjes van de zwakke kernkracht. Het was een triomf voor het Standaardmodel. Rubbia en ingenieur Simon van der Meer, wiens stochastische koelingstechniek de antiprotonenbundel mogelijk maakte, deelden in 1984 de Nobelprijs. Van der Meer, een Nederlander, wordt beschouwd als een van de briljantste versnellerfysici ooit.

Een halve eeuw later draait de SPS nog altijd. De machine fungeert als laatste voorversneller voor de LHC: protonen komen binnen met 26 GeV, verlaten de SPS met 450 GeV en worden vervolgens in de LHC tot meerdere TeV opgejaagd. Daarnaast levert de SPS bundels aan vaste-doelwitexperimenten als COMPASS en NA62. Weinig machines in de wetenschap hebben zo'n lange en veelzijdige carrière achter de rug.

De Large Hadron Collider is de onbetwiste koning van de deeltjesversnellers. Een ring van 27 kilometer omtrek, tot 175 meter diep onder de Frans-Zwitserse grens, gevuld met 1.232 supergeleidende dipoolmagneten die gekoeld worden tot 1,9 kelvin. Dat is kouder dan de gemiddelde temperatuur in de interstellaire ruimte. Twee protonenbundels razen er in tegengestelde richting doorheen met 99,9999991 procent van de lichtsnelheid en botsen bij vier detectoren: ATLAS, CMS, ALICE en LHCb.

Op 4 juli 2012 maakten de ATLAS- en CMS-samenwerkingen wereldkundig dat ze het higgsboson hadden gevonden, het deeltje dat andere deeltjes massa geeft. Peter Higgs en François Englert, die het deeltje decennia eerder hadden voorspeld, ontvingen het jaar erop de Nobelprijs. Het was het sluitstuk van het Standaardmodel en mogelijk de belangrijkste ontdekking in de deeltjesfysica van de 21e eeuw. Meer dan 10.000 wetenschappers uit ruim honderd landen werkten eraan mee.

De LHC is gebouwd in de tunnel die eerder de Large Electron-Positron Collider (LEP) huisvestte. Die hergebruikstrategie bespaarde miljarden. Inmiddels bereikt de LHC een botsingsenergie van 13,6 TeV en wordt hij geüpgraded naar de High-Luminosity LHC (HL-LHC), die vanaf eind jaren 2020 tien keer zo veel botsingsdata moet opleveren. De machine trekt jaarlijks zo'n 200 megawatt van het Franse elektriciteitsnet, vergelijkbaar met het verbruik van een kleine stad.

Naast het higgsboson heeft de LHC tientallen nieuwe samengestelde deeltjes ontdekt, het quark-gluonplasma bestudeerd met loodionenbotsingen en de grenzen van het Standaardmodel in ongekend detail afgetast. Tot nu toe is er geen duidelijk bewijs gevonden voor supersymmetrie of extra dimensies, wat op zich ook een resultaat is: de natuur is koppiger dan veel theoretici hoopten.

Het is een van de pijnlijkste verhalen in de wetenschapsgeschiedenis. De Superconducting Super Collider, bijgenaamd de Desertron, zou de grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld worden. Een ring van 87,1 kilometer rond het Texaanse stadje Waxahachie, met een geplande botsingsenergie van 40 TeV, bijna drie keer wat de LHC vandaag haalt. Het Amerikaanse Congres keurde het project goed in 1987, de bouw begon in 1991.

Toen ging het mis. De kosten liepen op van de oorspronkelijke raming van 4,4 miljard dollar naar meer dan 11 miljard. De magneetontwikkeling bleek lastiger dan verwacht, het management kampte met interne conflicten, en de beloofde buitenlandse bijdragen kwamen niet. Ondertussen werd het politieke klimaat in Washington kil. Het einde van de Koude Oorlog had de druk om wetenschappelijke superioriteit te tonen verminderd. Op 21 oktober 1993 stemde het Congres voor annulering. Toen was al 22,5 kilometer tunnel gegraven en 2 miljard dollar uitgegeven.

De gevolgen waren enorm. Honderden natuurkundigen verlieten het vakgebied, velen vertrokken naar Wall Street. Het wetenschappelijk leiderschap in de deeltjesfysica verschoof definitief naar Europa, waar CERN de LHC bouwde in een bestaande tunnel voor een fractie van de prijs. Had de SSC gedraaid, dan zou het higgsboson vermoedelijk een decennium eerder zijn gevonden. De lege tunnels in Texas werden uiteindelijk overgenomen door een chemiebedrijf. Recentelijk zijn er ideeën opgedoken om de bestaande infrastructuur alsnog te hergebruiken voor een toekomstige Higgs-fabriek.

Als alles volgens plan verloopt, wordt de Future Circular Collider de opvolger van de LHC en de grootste wetenschappelijke machine die de mensheid ooit heeft gebouwd. Een tunnel van 90,7 kilometer omtrek, gemiddeld 200 meter diep, met acht bovengrondse terreinen en vier experimenten. Het ontwerp voorziet in twee fasen: eerst de FCC-ee, een electron-positronbotsingsmachine die als een Higgs-fabriek miljoenen higgsbosonen moet produceren voor precisieonderzoek. Daarna, rond 2070, de FCC-hh, een protonenbotsingsmachine met een botsingsenergie van 100 TeV, zeven keer zoveel als de huidige LHC.

Het haalbaarheidsonderzoek werd in maart 2025 afgerond door meer dan 1.400 wetenschappers en ingenieurs uit 162 instituten in 38 landen. In november 2025 oordeelde de CERN-raad dat het project technisch haalbaar is en dat er geen onoverkomelijke obstakels zijn geïdentificeerd. Een maand later kwam een consortium van private donoren, waaronder techmiljardairs Yuri Milner en Eric Schmidt, met een toezegging van 860 miljoen euro. Het was de eerste private megadonatie in de geschiedenis van CERN.

De kosten zijn het heetste discussiepunt. De eerste fase, inclusief tunnel en infrastructuur, wordt geraamd op 15 miljard Zwitserse frank, verspreid over zo'n twaalf jaar. Critici, onder wie de Duitse fysicus Sabine Hossenfelder, betwijfelen of het wetenschappelijk rendement de investering rechtvaardigt. Voorstanders wijzen op de spin-offs: supergeleidende technologie, medische toepassingen en de opleiding van duizenden jonge onderzoekers. Een definitief besluit van de CERN-lidstaten wordt rond 2028 verwacht. Als het licht op groen springt, kan de bouw begin jaren 2030 starten.

Op papier is de Circular Electron Positron Collider het grootste deeltjesfysicaproject ter wereld. Een ondergrondse ring van 100 kilometer omtrek, ontworpen om elektronen en positronen te laten botsen bij energieën tot 360 GeV. Het concept werd in 2012 voorgesteld door het Chinese Instituut voor Hoge-energiefysica in Peking, kort na de ontdekking van het higgsboson bij CERN. Net als de FCC zou de CEPC in eerste instantie fungeren als Higgs-fabriek en later, in een tweede fase genaamd de SppC (Super proton-proton Collider), als proton-protonbotsingsmachine van 100 TeV.

Tussen 2018 en 2025 werkte het CEPC-team in hoog tempo aan technische ontwerprapportages. Het versnellerontwerp werd afgerond in 2023, het detectorontwerp in oktober 2025. Een internationaal reviewcomité onder leiding van de Universiteit van Oxford concludeerde dat het ontwerp technisch volwassen is. Alles leek klaar voor goedkeuring door de Chinese overheid.

Toen kwam de knik. De CEPC werd niet opgenomen in het Chinese vijfjarenplan voor 2026-2030. Projectleider Wang Yifang bevestigde dat het team in 2030 een nieuwe poging doet, maar voegde daar een opvallende kanttekening aan toe: als de Europese FCC vóór die tijd wordt goedgekeurd, zal China de CEPC opgeven en aansluiten bij het Europese project. Die uitspraak legt de geopolitieke dimensie bloot. Het gaat niet alleen om deeltjesfysica. Het gaat om de vraag welk continent de volgende generatie wetenschap op dit niveau zal leiden. Met een geschatte kostprijs van 36,4 miljard yuan (circa 5 miljard euro) is de CEPC weliswaar goedkoper dan de FCC, maar de Chinese overheid heeft kennelijk andere prioriteiten.