De Large Hadron Collider van het CERN-laboratorium heeft zijn weg gevonden naar de populaire cultuur: komiek Jon Stewart maakt er grappen over op The Daily Show droomt personage Sheldon Cooper erover in The Big Bang Theory en fictieve schurken stelen er fictieve antimaterie van in Angels & Demons.

Ondanks hun toename in populariteit, hebben deeltjesversnellers nog steeds geheimen te delen. Met input van wetenschappers van laboratoria en instellingen over de hele wereld heeft Symmetry een lijst samengesteld met 10 dingen die je misschien niet weet over deeltjesversnellers.

Er zijn meer dan 30.000 accelerators in gebruik over de hele wereld.

Accelerators zijn overal en doen een verscheidenheid aan taken. Ze zijn misschien het best bekend om hun rol in het onderzoek naar deeltjesfysica, maar hun andere talenten zijn onder meer: het creëren van tumorvernietigende stralen om kanker te bestrijden; het doden van bacteriën om door voedsel overgedragen ziekten te voorkomen; het ontwikkelen van betere materialen om effectievere luiers en krimpfolie te produceren; en wetenschappers helpen bij het verbeteren van brandstofinjectie om efficiëntere voertuigen te maken.

Een van de langste moderne gebouwen in de wereld zijn gebouwd voor een deeltjesversneller.

Lineaire versnellers, of afgekort linacs, zijn ontworpen om een bundel deeltjes in een rechte lijn te werpen. Over het algemeen geldt: hoe langer de linac, hoe krachtiger de deeltjespons. De lineaire versneller van het SLAC National Accelerator Laboratory, nabij San Francisco, is de grootste ter wereld.

De klystron-galerij van SLAC, een gebouw met componenten die de versneller aandrijven, zit bovenop de versneller. Het is een van de langste moderne gebouwen ter wereld. Over het algemeen is het iets minder dan 3 kilometer lang, een functie die laboratoriummedewerkers ertoe aanzet om jaarlijks een hardloopwedstrijd rond de omtrek te houden.

Volgens Stephen Hawking komen deeltjesversnellers het dichtst in de buurt van tijdmachines.

In 2010 schreef natuurkundige Stephen Hawking een artikel voor de Britse krant The Daily Mail waarin wordt uitgelegd hoe het mogelijk is om door de tijd te reizen. We zouden gewoon een deeltjesversneller nodig hebben die groot genoeg is om mensen te versnellen zoals we deeltjes versnellen, zei hij.

Een persoonsversneller met de mogelijkheden van de Large Hadron Collider zou zijn passagiers met bijna de snelheid van licht. Vanwege de effecten van de speciale relativiteitstheorie, lijkt een periode die voor iemand buiten de machine lijkt te duren meerdere jaren, voor de versnellende passagiers slechts een paar dagen te duren. Tegen de tijd dat ze van de LHC-rit afstapten, zouden ze jonger zijn dan de rest van ons.

Hawking stelde eigenlijk niet voor om te proberen zo’n machine te bouwen. Maar hij wees op een manier waarop tijdreizen nu al gebeurt. Deeltjes die pi mesonen worden genoemd, zijn bijvoorbeeld normaal gesproken van korte duur; ze vallen na slechts een miljoensten van een seconde uit elkaar. Maar wanneer ze worden versneld tot bijna de snelheid van het licht, neemt hun levensduur dramatisch toe. Het lijkt erop dat deze deeltjes in de tijd reizen, of in ieder geval de tijd langzamer ervaren dan andere deeltjes.

De hoogste temperatuur gemeten door een door mensen gemaakt apparaat werd bereikt in een deeltjesversneller.

In 2012 behaalde de Relativistic Heavy Ion Collider van Brookhaven National Laboratory een Guinness World Record voor het produceren van ’s werelds heetste door de mens veroorzaakte temperatuur, maar liefst 7,2 biljoen graden Fahrenheit. Maar het in Long Island gevestigde lab deed meer dan alleen maar opwarmen. Het creëerde een kleine hoeveelheid quark-gluon-plasma, een toestand van materie waarvan wordt aangenomen dat deze de eerste momenten van het universum heeft gedomineerd. Dit plasma is zo heet dat het ervoor zorgt dat elementaire deeltjes, quarks genaamd, die in de natuur in het algemeen alleen gebonden zijn aan andere quarks, van elkaar loskomen.

Wetenschappers van CERN hebben sindsdien ook quark-gluonplasma gemaakt, op een nog hogere temperatuur, in de Large Hadron Collider.

De binnenkant van de Large Hadron Collider is kouder dan de ruimte.

Om elektriciteit zonder weerstand te geleiden, worden de elektromagneten van de Large Hadron Collider afgekoeld tot cryogene temperaturen. De LHC is het grootste cryogene systeem ter wereld en werkt bij een ijzige temperatuur van min 456,3 graden Fahrenheit. Het is een van de koudste plekken op aarde, en het is zelfs een paar graden kouder dan de ruimte, die meestal bij min 454,9 graden Fahrenheit ligt.

De natuur produceert deeltjesversnellers die veel krachtiger zijn dan alles wat op aarde wordt gemaakt.

We kunnen behoorlijk indrukwekkende deeltjesversnellers op aarde bouwen, maar als het gaat om het bereiken van hoge energieën, hebben we niets over deeltjesversnellers die van nature in de ruimte voorkomen.

De meest energetische kosmische straling die ooit is waargenomen, was een proton dat werd versneld tot een energie van 300 miljoen triljoen elektronvolt. Geen enkele bekende bron in ons melkwegstelsel is krachtig genoeg om zo’n versnelling te hebben veroorzaakt. Zelfs de schokgolf van de explosie van een ster, waardoor deeltjes veel krachtiger vliegen dan een door de mens gemaakte versneller, heeft niet genoeg kracht. Wetenschappers onderzoeken nog steeds de bron van dergelijke ultrahoge kosmische straling.

Deeltje versnellers versnellen niet alleen deeltjes; ze maken ze ook massiever.

Zoals Einstein voorspelde in zijn relativiteitstheorie, kan geen deeltje met massa zo snel reizen als de snelheid van het licht – ongeveer 300.000 mijl per seconde. Hoeveel energie je ook toevoegt aan een object met massa, zijn snelheid kan die limiet niet bereiken.

In moderne versnellers worden deeltjes versneld tot bijna de snelheid van het licht. De hoofdinjector van het Fermi National Accelerator Laboratory versnelt bijvoorbeeld protonen tot 0,99997 keer de lichtsnelheid. Naarmate de snelheid van een deeltje steeds dichter bij de lichtsnelheid komt, geeft een versneller meer en meer een boost aan de kinetische energie van het deeltje.

Omdat, zoals Einstein ons vertelde, de energie van een object gelijk is aan zijn massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat (E = mc2), het toevoegen van energie is in feite ook het vergroten van de massa van de deeltjes. Anders gezegd: waar er meer “E” is, moet er meer “m” zijn. Als een object met massa de lichtsnelheid nadert, maar nooit bereikt, wordt zijn effectieve massa groter en groter.

De diameter van de eerste cirkelvormige versneller was korter dan 5 inch; de diameter van de Large Hadron Collider is meer dan 8 km.

In 1930, geïnspireerd door de ideeën van de Noorse ingenieur Rolf Widerøe, werd de 27-jarige natuurkundige Ernest Lawrence creëerde de eerste circulaire deeltjesversneller aan de University of California, Berkeley, met afgestudeerde student M. Stanley Livingston. Het versnelde waterstofionen tot energieën van 80.000 elektronvolt in een kamer met een doorsnede van minder dan 5 inch.

In 1931 gingen Lawrence en Livingston aan de slag met een 11-inch versneller. De machine slaagde erin protonen te versnellen tot iets meer dan 1 miljoen elektronvolt, een feit dat Livingston per telegram aan Lawrence meldde met de toegevoegde opmerking “Whoopee!” Lawrence ging verder met het bouwen van nog grotere versnellers – en met het oprichten van de laboratoria van Lawrence Berkeley en Lawrence Livermore.

Deeltjesversnellers hebben sindsdien een lange weg afgelegd, door helderdere deeltjesbundels met grotere energieën te creëren dan voorheen voor mogelijk werd gehouden. Large Hadron Collider op CERN heeft een diameter van meer dan 8 km (27 km in omtrek). Na de upgrades van dit jaar kan de LHC protonen versnellen tot 6,5 biljoen elektronvolt.

In de jaren zeventig gebruikten wetenschappers van het Fermi National Accelerator Laboratory een fret genaamd Felicia om de onderdelen van de versneller schoon te maken.

Van 1971 tot 1999 was Fermilabs Meson Laboratory een belangrijk onderdeel van hoogenergetische fysica-experimenten in het laboratorium. Om meer te weten te komen over de krachten die ons universum bijeenhouden, bestudeerden wetenschappers daar subatomaire deeltjes, mesonen en protonen genaamd. Operators zouden bundels deeltjes uit een versnelling sturen rator naar het Meson Lab via een kilometerslange ondergrondse bundellijn.

Om ervoor te zorgen dat honderden meters vacuümleidingen vrij waren van puin voordat ze werden verbonden en de deeltjesstraal werden ingeschakeld, riep het laboratorium de hulp in van een Felicia de fret.

Fretten hebben een affiniteit met graven en klauteren door gaten, waardoor ze de perfecte soort zijn voor dit werk. Felicia’s taak was om een doek gedoopt in reinigingsoplossing aan een touwtje door lange stukken pijp te trekken.

Hoewel Felicia’s werk uiteindelijk werd overgenomen door een speciaal ontworpen robot, speelde ze een unieke en vitale rol in de constructie proces – en in ruil daarvoor alleen gevraagd om een vast dieet van kippenlevers, viskoppen en hamburgervlees.

Deeltjesversnellers verschijnen op onwaarschijnlijke plaatsen.

Wetenschappers hebben de neiging om ondergrondse grote deeltjesversnellers te bouwen. Dit beschermt ze tegen stoten en destabilisatie, maar kan er ook voor zorgen dat ze een beetje moeilijker te vinden zijn.

Automobilisten die over de Interstate 280 in Noord-Californië rijden, merken het misschien niet, maar het hoofdgaspedaal bij SLAC National Accelerator Laboratory draait ondergronds net onder hun wielen.

Inwoners van dorpen op het Zwitsers-Franse platteland leven bovenop de deeltjesversneller met de hoogste energie ter wereld, de Large Hadron Collider.

En decennia lang spelen teams van Cornell University voetbal, voetbal en lacrosse op Robison Alumni Fields 40 voet boven de Cornell Electron Storage Ring, of CESR. Wetenschappers gebruiken de circulaire deeltjesversneller om compacte deeltjesbundels te bestuderen en röntgenlicht te produceren voor experimenten in de biologie, materiaalkunde en natuurkunde.