Buigen, buigen, buigen en knijpen... zo simpel is het’ (door Floris Keizer)

 

Op een vroege maandagmorgen verzamelden Anouk Scholtes, Coen Corstjens, Stijn Zanders, Niels Berger en ik ons op Schiphol, om de hoofdprijs van het HiSPARC symposium 2011 in ontvangst te nemen: een reis naar Genève. Daar namen we een kijkje achter de schermen van ’s werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider in CERN. De techniek achter de 27 kilometer aan supergeleidende magneten is al even indrukwekkend als de kennis achter de datastroom van 15 petabyte (15 miljoen gigabytes) die jaarlijks van de LHC af komt. Een drietal Nederlandse onderzoekers aan CERN vertelden ons er alles over.

 

CERN-land

Bij aankomst werden we ontvangen door dhr. Gerjan Bobbink. Hij nam ons mee over het terrein van CERN, dat haast een aparte staat leek, zoveel CERN-fietsen, CERN-auto’s, CERN-nummerborden en CERN-logo’s als er waren. Al snel bereikten we de kamer van dhr. Herman Ten Kate, professor aan de Universiteit van Twente en projectleider van de magneetinstallatie in één van de grote detectieruimtes, de ‘ATLAS’. Hij legde ons de organisatie van de onderzoeksinstelling kort uit: ‘De deeltjesversneller is gebouwd door iedereen, en voor iedereen. De miljarden die nodig zijn voor de bouw en het onderhoud van de LHC kunnen onmogelijk door één land worden opgebracht; daarom levert elk deelnemend land een som geld en een aantal experts om voor het onderhoud te zorgen. In ruil daarvoor krijgt men onderzoekstijd, en worden de grote opdrachten voor onderdelen uitbesteed in de desbetreffende landen.’

‘...CERN is uniek, omdat hier alles draait op samenwerking’, besloot Ten Kate, want hij had nog veel meer te vertellen over zijn magneetproject voor de LHC.

 

Supermagneten

Herman ten Kate laat ons een dwarsdoorsnede van de deeltjesversneller zien.

Zonder supergeleidende magneten geen deeltjesversneller. We kunnen de boodschap inmiddels dromen. Naast de enorme spoelen, die in de ATLAS zorgen voor het magneetveld dat geladen deeltjes afbuigt, bestaat de grote ondergrondse ring om Genève uit meer dan 1700 magneten, elk 15 meter lang. ‘Om de protonbundels tot bijna de lichtsnelheid te versnellen, is ongelofelijk veel energie nodig’, vertelde Herman. ‘Wij geven de deeltjes die energie door ze in een grote cirkelbaan te versnellen, maar “gewone” magneten zijn daar lang niet sterk genoeg voor. Daarom gebruiken we supergeleiders, maar dat betekent wel dat we dit pakketje’ (Ten Kate legde zijn hand op één van de dikke stalen buizen, terwijl we in de assemblagehal van de magneten rondliepen) ‘...met vloeibaar helium tot een paar Kelvin moeten koelen.’

Terwijl professor Ten Kate met ons het bouwtraject van de versneller in de assemblagehal doornam, kregen wij langzaamaan het beeld dat de theorie achter de versneller niet zo ingewikkeld is als we dachten. Veel moeite om dat idee bij ons weg te nemen, deed Ten Kate niet: ‘Als we eenmaal een protonenbundel aan het versnellen zijn, hoeven we maar voor twee dingen te zorgen: ten eerste mag de bundel niet divergeren en ten tweede moet deze netjes in zijn cirkelbaan blijven, om te voorkomen dat we gaten in ons bouwwerk schieten. Dat doen we door met een serie van drie magneten de bundel af te buigen, en hem met een vierde magneet samen te knijpen. Zevenentwintig kilometer lang buigen, buigen, buigen en knijpen... zo simpel is het.’

De uitvoering van dit principe bleek een heel ander verhaal te zijn: aan technische hoogstandjes is 90 meter onder de grond van Genève geen gebrek. Op de millimeter nauwkeurig passende stalen ringen en een blauwgekleurde stalen mantel houden de versnelbuis op zijn plaats, wanneer deze bijvoorbeeld dreigt krom te trekken door de sterke Lorentzkracht die de supergeleidende spoelen opwekken. Er zijn speciale kanalen in de buis aangebracht, waardoor vloeibare helium kan stromen, en een slim systeem van warmtewisselaars voorkomt een nog hogere energierekening voor CERN. ‘Toch gaat niet alles goed’, vertelde Herman Ten Kate, ‘... zo draait de LHC nog steeds op halve kracht door een fout in de verbindingen tussen de magneten. Sommige van deze waren kort nadat de LHC in gebruik was genomen doorgebrand, waardoor de temperatuur steeg en een deel van de vloeibare helium weglekte. De installatie was duidelijk nog niet robuust genoeg.’ CERN heeft alle beschadigde onderdelen vervangen, maar niet de beslissing genomen om preventief alle koppelingen te verbeteren: ‘voor deze klus zou de LHC anderhalf jaar stil moet liggen, terwijl over heel de wereld wetenschappers staan te springen om data. Daarom gaan we de komende tijd gewoon door met de experimenten, al is het niet op volle kracht.’

 

Under Control

Veel meer dan de assemblagehal was er van de deeltjesversneller echter niet te zien. De voorstelling die wij ons hadden gemaakt om met een helmpje op naar de ATLAS detector af te mogen dalen, bleek veel te optimistisch: pas in 2013 gaat de tunnel weer open voor bezoekers. Tot die tijd staat de LHC aan, wat een hoge dosis radioactiviteit en allerlei andere gevaren veroorzaakt: een no-go area.

Boven de grond is daarentegen alles volop in bedrijf, en we vonden het erg interessant om een van de ruimtes te bekijken, waar de ATLAS-experimenten in de gaten worden gehouden. Op grote schermen voorin de zaal werden uitgefilterde gegevens over de deeltjesbotsingen geprojecteerd. Ook aan de langwerpige tafels waar men aan het rekenen was, stonden enkel beeldschermen; de bijbehorende computers zaten achter slot en grendel. ‘Het mag duidelijk zijn dat CERN het risico dat iemand met de gegevens knoeit niet kan nemen’, vertelde Gerjan Bobbink, ‘... bovendien kunnen virussen via USB-stickjes zo het systeem insluipen. Alle laptops die je dus ziet, hebben de onderzoekers, die elk toegewezen zijn om een specifiek deel van de LHC in de gaten te houden, zelf meegebracht.’ En uiteraard moesten ook die laptops geregistreerd worden...

 

Data transport

V.l.n.r.: Floris, Anouk, Coen, Stijn en Niels op een replica van de LHC-magneet.

We vervolgden onze weg over het terrein, begeleid door wegwijzers als ‘A. Einstenroute’ en ‘Square Galileo Galilei’, richting het CERN Computer Centre. Voor de ingang van dit gebouw vormde een groot hok het bewijs dat ook op CERN ruimte is voor (zeer, zeer droge) humor, want het opschrift luidt: ‘CERN Animal Shelter for Computer Mice’. Direct na het entree van het gebouw was een tentoonstelling gemaakt van de (nog korte) geschiedenis van de computer, met als hoogtepunt een enorm en onherkenbaar apparaat, goed voor het verwerken en opslaan van zo’n vijftig woorden.

Hier werden we ontvangen door dhr. Maarten Litmaath, die al jaren meewerkt aan de ontwikkeling van het Grid. Hij sloot voor ons de dag af met een uitleg over dit wereldwijde netwerk voor informatieverwerking van de LHC-data: ‘In de Large Hadron Collider vinden 100 miljoen botsingen per seconde plaats; de data hiervan worden verwerkt, waarbij filters de “bruikbare” botsingen selecteren en opslaan. Die gegevens worden vervolgens over de hele wereld verspreid naar instituten die klaarstaan om ermee aan de slag te gaan. Je snapt wel dat het Grid daarom een grote capaciteit moet hebben; naast de bestaande internetverbindingen gebruiken we dan ook eigen glasvezelkabels voor het transport. Vanaf het CERN Computer Centre, ook wel “Tier 0” genoemd, worden de data gestuurd naar elf “Tier-1”centra, verspreid over de hele wereld; één van deze elf computercentra staat in Amsterdam, waar SARA en Nikhef samenwerken om de datastroom vanuit CERN te verwerken.’ Vervolgens nam Litmaath ons mee naar een ruimte die leek op een kleine gymzaal gevuld met computers, kasten, computers, kabels en nog meer computers. Hier kreeg de omvang van het project pas echt gestalte, en werd ons de wedloop rondom het Grid duidelijk: met een grotere efficiëntie méér data in kortere tijd overbrengen. Sinds de 50-woorden-computer zijn we al flink wat opgeschoten.

 

Het meer van Genève

De tweede dag bezochten we op eigen gelegenheid de stad Genève, waar we ons tussen dure auto’s, fietsende zakenmannen, banken en horlogewinkels een weg zochten over glibberige stenen richting de “Jet d’Eau”. Deze fontein schiet met een snelheid van 200 kilometer per uur een waterstraal 140 meter de lucht in, waarna het water weer terug klettert in het meer van Genève. Dapper gingen Coen en Stijn ons voor over de pier, richting de waterstraal, om enkele minuten later volledig gedouched terug te keren. Met twee paar natte en drie paar droge schoenen zijn we met een goed gevoel weer richting het vliegveld vertrokken. We hebben twee leerzame en plezierige dagen in Genève gehad.

Au revoir!

Copyright Webmaster PvH