De zoektocht naar antwoorden op de open vragen (zoals welke fundamentele deeltjes donkere materie vormen, waarom materie het universum domineert en waarom er asymmetrie is tussen materie en antimaterie, wat is de kracht van het deeltje voor zwaartekracht, donkere energie, neutrinomassa, enz.) die het Standaardmodel niet kan beantwoorden, vereist mogelijk een blik voorbij het Standaardmodel en het mogelijke bestaan van nieuwe, lichtere deeltjes die zeer zwak interacteren met deeltjes uit het Standaardmodel, onderzoeken, evenals het bestaan van nieuwe, zwaardere deeltjes die buiten het bereik van de bestaande LHC-faciliteit liggen. De voorgestelde Future Circular Collider (FCC) zou het mogelijk maken om te zoeken naar het bestaan van dergelijke fundamentele deeltjes buiten het Standaardmodel. De CERN-raad heeft het rapport van de haalbaarheidsstudie van de FCC nu bestudeerd. Een definitief besluit van de CERN-raad over de bouw van de FCC wordt rond 2028 verwacht. Indien goedgekeurd, kan de bouw van de FCC in de jaren 2030 beginnen. Het zal een omtrek hebben van ongeveer 100 km en zich ongeveer 200 meter onder de grond bevinden, dicht bij dezelfde locatie als de LHC bij Genève. Deze volgt de Large Hadron Collider (LHC) op, die in 2041 operationeel zal zijn. De FCC zal in twee fasen worden geïmplementeerd. De eerste fase, FCC-ee, zal een elektron-positronenversneller zijn voor precisiemetingen in de zoektocht naar lichtere deeltjes. Deze zal vanaf eind jaren 2040 een 15-jarig onderzoeksprogramma bieden. Na voltooiing van deze fase zal een tweede machine, de FCC-hh (hoge energie), in dezelfde tunnel in gebruik worden genomen. De tweede fase beoogt botsingsenergieën van 100 TeV te bereiken (veel hoger dan de 13 TeV van de LHC) in de zoektocht naar zwaardere deeltjes. Deze fase zal operationeel zijn in de jaren 2070 en zal duren tot het einde van de 21e eeuw.
Op 6 en 7 november 2025 heeft de CERN-raad (bestaande uit afgevaardigden van CERN-lidstaten en geassocieerde lidstaten) de uitkomsten van de haalbaarheidsstudie voor de voorgestelde Future Circular Collider (FCC) besproken.
Eerder voerde CERN een studie uit om de haalbaarheid van een toekomstige circulaire deeltjesversneller (FCC) te beoordelen, in samenwerking met instellingen in de lidstaten en geassocieerde lidstaten van CERN en daarbuiten. Het rapport werd uitgebracht op 31 maart 2025 en is beoordeeld door de ondergeschikte organen van de CERN-raad. Het rapport werd ook beoordeeld door de onafhankelijke deskundigencommissies, die op basis van de gepresenteerde documentatie stelden dat de FCC technisch haalbaar lijkt.
De afgevaardigden van de CERN-raad hebben het rapport van de haalbaarheidsstudie van de FCC op 6 en 7 november 2025 tijdens een speciale vergadering besproken en geconcludeerd dat de haalbaarheidsstudie de basis vormt voor de voortzetting van de FCC-studies. Dit is een belangrijke stap in de richting van een mogelijke goedkeuring van de FCC door de CERN-raad in mei 2026, wanneer alle aanbevelingen ter overweging aan de raad zullen worden voorgelegd. Een definitief besluit van de CERN-raad over de bouw van de FCC wordt rond 2028 verwacht.
De Future Circular Collider (FCC) is een van de voorgestelde volgende generatie deeltjesversnellers bij CERN. Naar verwachting zal hij de Large Hadron Collider (LHC) opvolgen, die in 2041 niet meer operationeel zal zijn. CERN werkt momenteel aan de identificatie van de volgende deeltjesversneller die de LHC, het huidige werkpaard van CERN, moet opvolgen.
De Large Hadron Collider (LHC), in gebruik genomen in 2008, is een cirkelvormige deeltjesversneller met een omtrek van 27 kilometer en bevindt zich 100 meter onder de grond nabij Genève. Momenteel is het de grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld die botsingen genereert met een energie van 13 tera-elektronvolt (TeV), de hoogste energie die tot nu toe door een deeltjesversneller is bereikt. De deeltjesversneller versnelt hadronen tot bijna de lichtsnelheid en brengt ze vervolgens met elkaar in botsing, waarbij de omstandigheden in het vroege heelal worden nagebootst.
| Deeltjesversnellers/-colliders zijn vensters naar het zeer vroege heelal |
| "Zeer vroeg heelal" verwijst naar de vroegste fase van het heelal (de eerste drie minuten kort na de oerknal), toen het extreem heet was en het heelal volledig werd gedomineerd door straling. Het Planktijdperk is het eerste tijdperk van het stralingstijdperk dat duurde van de oerknal tot 10-43 s. Met een temperatuur van 1032 K, het heelal was in dit tijdperk superheet. Het Planck-tijdperk werd gevolgd door de quark-, lepton- en nucleaire tijdperken; alle drie waren van korte duur, maar werden gekenmerkt door extreem hoge temperaturen die geleidelijk afnamen naarmate het heelal uitdijde. Directe studie van deze vroegste fase van het heelal is niet mogelijk. Wat wel kan, is de omstandigheden van deze fase van het heelal nabootsen in deeltjesversnellers. De gegevens die gegenereerd worden door botsingen van deeltjes in deeltjesversnellers/colliders bieden een indirect venster naar het zeer vroege heelal. Colliders zijn zeer belangrijke onderzoeksinstrumenten in de deeltjesfysica. Dit zijn cirkelvormige of lineaire machines die deeltjes versnellen tot zeer hoge snelheden, dicht bij de lichtsnelheid, en ze in staat stellen te botsen met een ander deeltje dat uit de tegenovergestelde richting komt of tegen een doel. De botsingen genereren extreem hoge temperaturen in de orde van grootte van biljoenen Kelvin (vergelijkbaar met de omstandigheden in de vroegste perioden van het stralingstijdperk). De energieën van botsende deeltjes worden opgeteld, waardoor de botsingsenergie hoger is. Botsingsenergie wordt omgezet in materie in de vorm van deeltjes die in het zeer vroege heelal bestonden volgens de massa-energiesymmetrie. Wanneer bijvoorbeeld de elektronen van subatomaire deeltjes botsen met hun antimateriepartners, positronen, annihileren materie en antimaterie en komt er energie vrij. Verschillende soorten nieuwe elementaire deeltjes condenseren uit de vrijgekomen energie. Nieuwe deeltjes zouden de higgsbosonen of topquarks kunnen zijn, zeer zware soorten subatomaire bouwstenen van materie. Mogelijk ook donkeremateriedeeltjes en supersymmetrische deeltjes, iets wat nog ontdekt moet worden. Dergelijke interacties tussen hoogenergetische deeltjes onder de omstandigheden die bestonden in het zeer vroege heelal bieden vensters naar de anders ontoegankelijke wereld van die tijd. Analyse van de bijproducten van botsingen verrijkt ons begrip van fundamentele deeltjes en biedt een manier om de wetten van de fysica te begrijpen. Deeltjesversnellers worden gebruikt als onderzoeksinstrumenten voor de studie van het zeer vroege heelal. Hadronversnellers (met name de Large Hadron Collider LHC van CERN) en elektron-positronversnellers lopen voorop in de verkenning van het zeer vroege heelal. De ATLAS- en CMS-experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC) waren in 2012 succesvol in de ontdekking van het higgsboson. (Bron: Deeltjesversnellers voor onderzoek naar het ‘zeer vroege heelal’: muonenversneller gedemonstreerd) |
De High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) van CERN zal de prestaties van de LHC verbeteren door het aantal botsingen te verhogen, waardoor bekende mechanismen gedetailleerder bestudeerd kunnen worden. De HL zal naar verwachting in 2029 operationeel zijn.
De voorgestelde Future Circular Collider (FCC) zou een deeltjesversneller met hogere prestaties zijn dan de Large Hydron Collider. Ontworpen om het bestaan van nieuwe, zwaardere deeltjes te onderzoeken, buiten het bereik van de Large Hadron Collider (LHC), en het bestaan van lichtere deeltjes die zeer zwak interacteren met deeltjes uit het Standaardmodel, zou de FCC een omtrek van ongeveer 100 km hebben, gelegen op ongeveer 200 meter onder de grond, nabij dezelfde locatie als de LHC. Indien goedgekeurd, zou de bouw van de FCC in de jaren 2030 kunnen beginnen.
De FCC zal in twee fasen worden geïmplementeerd. De eerste fase, FCC-ee, zal een elektron-positronenversneller zijn voor precisiemetingen. Deze zal vanaf eind jaren 2040 een 15-jarig onderzoeksprogramma aanbieden. Na voltooiing van deze fase zal een tweede machine, de FCC-hh (hoge energie), in dezelfde tunnel in gebruik worden genomen. Deze machine streeft ernaar botsingsenergieën van 100 TeV te bereiken bij botsende hadronen (protonen) en zware ionen. De FCC-hh zal in de jaren 2070 operationeel zijn en zal tot het einde van de 21e eeuw in bedrijf blijven.
Waarom is de FCC nodig? Welk doel dient het?
Het gehele waarneembare heelal, inclusief alle baryonische gewone materie waaruit wij allen bestaan, vormt slechts 4.9% van de massa-energie-inhoud van het heelal. De onzichtbare donkere materie vormt maar liefst 26.8% (terwijl de resterende 68.3% van de massa-energie-inhoud van het heelal donkere energie is). Het is niet bekend wat donkere materie werkelijk is. Het Standaardmodel (SM) van de deeltjesfysica kent geen fundamentele deeltjes met eigenschappen die nodig zijn om donkere materie te zijn. Men denkt dat mogelijk "supersymmetrische deeltjes" die partners zijn van de deeltjes in het Standaardmodel, donkere materie vormen. Of misschien bestaat er een parallelle wereld van donkere materie. WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles), axionen of steriele neutrino's zijn veronderstelde deeltjes "Beyond the Standard Model" (BSM) die belangrijke kandidaten zijn. Er is echter nog geen succes geboekt met de detectie van dergelijke deeltjes. Er zijn nog veel meer open vragen (zoals de asymmetrie tussen materie en antimaterie, zwaartekracht, donkere energie, neutrinomassa, enz.) die het Standaardmodel niet kan beantwoorden. Ook de rol van het Higgsveld in de evolutie van het heelal werd besproken na de ontdekking van het Higgsboson in 2012 door de ATLAS- en CMS-experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC).
De mogelijke antwoorden op de bovenstaande open vragen liggen buiten het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Mogelijk moet het bestaan van nieuwe, lichtere deeltjes die zeer zwak interageren met deeltjes uit het Standaardmodel worden onderzocht. Dit vereist een grote hoeveelheid dataverzameling en een zeer hoge gevoeligheid voor de signalen die dergelijke deeltjes produceren, wat binnen het bereik van de eerste fase van FCC valt, namelijk FCC-ee (precisiemeting). Het is ook noodzakelijk om het bestaan van nieuwe, zwaardere deeltjes te onderzoeken, waarvoor hoogenergetische faciliteiten nodig zijn. De FCC-hh (hoge energie), de tweede fase van FCC, streeft naar botsingsenergieën van 100 TeV (wat veel hoger is dan 13 TeV van de LHC). Wat betreft de vorm van de elektron-positron (e+e-) collider van de eerste fase, heeft de cirkelvormige vorm de voorkeur (in plaats van de lineaire vorm), omdat een cirkelvormige vorm een hogere lichtsterkte mogelijk maakt, tot vier experimenten mogelijk maakt en de infrastructuur biedt voor de daaropvolgende tweede fase, een hoogenergetische hadronencollider.
***
Referenties:
- CERN. Persbericht – CERN-raad beoordeelt haalbaarheidsstudie voor een deeltjesversneller van de volgende generatie. 10 november 2025. Beschikbaar op https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- CERN. Persbericht – CERN publiceert rapport over de haalbaarheid van een mogelijke toekomstige circulaire deeltjesversneller. 31 maart 2025. Beschikbaar op https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- Haalbaarheidsstudie voor de toekomstige circulaire deeltjesversneller is nu afgerond https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Toekomstige Circulaire Collider https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: de natuurkundezaak. 27 maart 2024. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
***
Gerelateerde artikelen:
- Deeltjesversnellers voor onderzoek naar het ‘zeer vroege heelal’: muonenversneller gedemonstreerd (31 oktober 2024)
- CERN viert 70 jaar wetenschappelijke reis in de natuurkunde (2 februari 2024)
- Waar bestaan we uiteindelijk uit? Wat zijn de fundamentele bouwstenen van het heelal? (8 november 2021)
***
Enkele educatieve video's over FCC:
***
 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}