Posts Tagged ‘deeltjesversneller’

Een oerknal uit het ondergrondse

januari 8, 2011

Wetenschappers van het Europese onderzoekscentrum voor deeltjesfysica CERN zijn erin geslaagd om een kleine oerknal te veroorzaken, die doet denken aan de omstandigheden waarin ons universum werd gevormd, intussen alweer zo’n 13,5 miljard jaar geleden. “Een soep van tien biljoen graden”,  luidden de krantenkoppen, terwijl onheilsprofeten op het internet waarschuwden voor de vorming van zwarte gaten en de nakende ondergang van de wereld. De soep wordt zelden zo heet gegeten als zij wordt opgediend, maar de signalen die ons vanuit Zwitserland bereiken zijn niettemin belangwekkend.

Een tros subatomaire druiven

De bollebozen in Genève willen een beter inzicht verwerven in de opbouw van de materie en het ontstaan van het heelal. Voor zover wij weten, is alle materie opgebouwd uit talloze moleculen (zoals water), die op hun beurt bestaan uit atomen (zoals waterstof en zuurstof). Een atoom bestaat dan weer uit een kern, waarrond een wolk zweeft van rozijnen, die in nucleaire middens beter bekend staan als elektronen. En een atoomkern oogt als een microscopische tros druiven, waarbij de groene druiven protonen worden genoemd, en de rode neutronen heten. Atoomgeleerden zijn er echter van overtuigd dat ook die subatomaire druiven opgebouwd zijn uit nóg kleinere elementaire deeltjes die zij quarks noemen. Zij hebben ingewikkelde theoretische modellen ontwikkeld om de structuur van de materie te kunnen beschrijven, maar missen tot op heden het broodnodige experimentele bewijs om hun atomaire yoghurt te kunnen staven.

Een katapult voor elementaire deeltjes

Quarks laten zich moeilijk meten, maar ze zijn dan ook reusachtig klein. Bovendien heersen binnen een atoomkern ontzagwekkend sterke krachten, die de hele fruitsla bij elkaar houden. Om het bestaan van quarks aan te tonen, heb je dus nood aan een heel hoge energie (om de druiven uit elkaar te trekken) en uiterst gevoelige sensoren (om de vrijgekomen druivenpitten te kunnen detecteren).

Om zulke elementaire deeltjes te bestuderen, is ter hoogte van de Frans-Zwitserse grens het meest ambitieuze wetenschappelijke experiment sinds mensenheugenis geïnstalleerd: de Large Hadron Collider (LHC). Die constructie bestaat uit een ringvormige tunnel met een omtrek van 27 kilometer, die zich honderd meter onder de grond bevindt. Een volledige omloop zou voor een doorsnee onderzoeker een dagtocht vergen – met een picknick ter hoogte van pi – maar de deeltjes die zij bestuderen leggen dat traject meer dan 10 000 maal per seconde af. De Large Hadron Collider is dan ook een deeltjesversneller, waar protonen onder impuls van magnetische velden een ontzettend hoge snelheid bereiken.

De installatie werd reeds in de herfst van 2008 in gebruik genomen, maar bleek aanvankelijk behept met allerhande kinderziekten. De kwalen varieerden van defecte transformatoren over lekkend helium tot gesmolten supermagneten. Op internetfora circuleerde zelfs het bericht dat een indringer -niet toevallig begin april- had gepoogd de opstelling te saboteren. De man bleek verward, en bleef beweren dat hij uit de toekomst kwam. Maar inmiddels zijn alle defecten hersteld, en raakt de Large Hadron Collider op kruissnelheid. En voor een deeltjesversneller betekent dit: de lichtsnelheid.

De Big Bang in het klein

Eind 2010 werden protonen in tegengestelde richtingen versneld tot zij bijna de magische grens van de lichtsnelheid (nagenoeg 300 000 kilometer per seconde) bereikten. Vervolgens werden die ultrasnelle bundels protonen frontaal tegen elkaar geslingerd. Zulke kosmische botsingen gaven aanleiding tot de vorming van uiterst condense en bloedhete materie, die vergelijkbaar is met de aard van het universum vlak na de Oerknal of Big Bang. Naderhand zijn de protonen vervangen door zware loodkernen, die ook neutronen bevatten. Bij die botsingen komt nóg meer energie vrij, en worden allerhande elementaire deeltjes weggeslingerd. De eerste experimenten laten uitschijnen dat gedurende een heel korte tijd een plasma van quarks wordt gevormd, bij een temperatuur die honderden keren hoger ligt dan in het centrum van onze zon.

Thermodynamische schizofrenie

Vanuit thermodynamisch standpunt is dat een hoogst schizofrene toestand: de supermagneten van de deeltjesversneller worden immers afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt (zo’n 273 °C ónder het vriespunt), terwijl binnenin het plasma de hoogste temperatuur heerst die ooit werd bereikt sinds de vorming van ons Heelal. Maar ook op andere fronten vormt de LHC een clash in dimensies: zo is een tunnel van maar liefst 27 kilometer nodig om protonen te versnellen die een miljard keer kleiner zijn dan een duizendste van een millimeter, en worden sensoren van ruim 10 000 ton ingezet om elementaire deeltjes te detecteren waarvan nog niet eens ondubbelzinnig duidelijk is of ze wel een massa hebben.

De op handen zijnde experimenten in het CERN oogsten ook heel wat controverse. Onheilsprofeten voorspellen immers dat tijdens de testen zwarte gaten kunnen vormen, die de aarde zullen vernietigen. En hoewel de wetenschappers in Genève goochelen met lichtsnelheden, zal het zo’n vaart niet lopen. Maar als de analyse van de resultaten hun theoretische vermoedens bevestigt, dan herbergen deze experimenten wel het potentieel om de fysica op haar grondvesten te laten daveren.

© 2011 – Labo Vekalie

Advertenties