cern - Maerlant

CERN: JE MAAKT NOG EENS WAT MEE….
De wetenschap trilt op zijn grondvesten: vorige week werd bekend gemaakt dat bij CERN in
Zwitserland deeltjes zijn ontdekt die sneller dan het licht bewegen, iets dat volgens één van de
beroemdste natuurkundigen ooit, Albert Einstein, als onmogelijk werd beschouwd. De meeste
mensen hebben dit wel in de krant gelezen of op tv gezien en voor kennisgeving aangenomen, maar
het is voor veel mensen een ver-van-mijn-bed-show, want wetenschap gaat velen boven hun pet.
Het is net als wat voor veel leerlingen in het voortgezet onderwijs geldt: Waarom is natuurkunde
moeilijk? Omdat iedereen zegt dat het moeilijk is!
Ik was toevallig op bezoek bij CERN en heb de eer gehad om aanwezig te zijn bij het seminar op
vrijdag 23 september, waar om 16.00 uur de resultaten aan de wereld werden gepresenteerd. De
zaal waarin dat gebeurde was afgeladen; iets, dat sinds 1983, toen de wetenschapper Carlo Rubbia
de ontdekking van het W- en Z-boson aan de wereld presenteerde (waarvoor hij samen met de
Nederlander Simon van de Meer het jaar daarop de Nobelprijs ontving), niet meer was gebeurd.
Naar aanleiding hiervan zal ik proberen om op een niet al te wetenschappelijke manier uit te leggen
wat CERN nu eigenlijk is, wat er bedoeld wordt met de Large Hadron Collider waarmee CERN de
laatste jaren meerdere malen in het nieuws is gekomen en waarom dat nieuws van vorige week nou
eigenlijk zo wereldschokkend is.
Mijn dochter hoorde donderdagavond op het
nieuws dat er iets bij CERN aan de hand was, wist
dat ik daar was, legde de link “vader en CERN” en
dat bracht haar op de vraag toen ik haar aan de
telefoon had: “Pap, je hebt toch niets
aangeraakt?”
Daarbij kwam ook nog de vervolggedachte:
“Straks komt ‘ie met een Nobelprijs naar huis;
moeten we dat weer jaren aanhoren….”. Je
begrijpt hoe er in de familie over mij gedacht
wordt.
In het begin van de 20e eeuw ontdekte men dat de natuur en natuurverschijnselen verklaard kunnen
worden met de wetenschap dat alles bestaat uit hele kleine deeltjes die allemaal invloed op elkaar
uitoefenen en waartussen allerlei verschijnselen plaatsvinden. Ik zal niet teveel in detail treden,
omdat er dan eigenlijk veel meer voorkennis nodig is, maar ik kan wel vertellen dat het dieper gaat
dan wat op school geleerd wordt: “stoffen bestaan uit moleculen, die weer uit atomen bestaan en
die bestaan weer uit protonen, neutronen en elektronen”.
De natuurkunde die hier op inspeelt noemt men de kwantummechanica en eigenlijk is dat een
vervolg op de “klassieke” natuurkunde. Ondanks dat de kwantummechanica al meer dan 100 jaar
aan de weg timmert, is het aandeel ervan op scholen nog relatief klein; dit gaat in de toekomst
(gelukkig) veranderen. CERN is een organisatie (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) die in
1954 is opgericht om alles te weten te komen over die deeltjes zodat uiteindelijk “alles” verklaard zal
kunnen worden. De drie fundamentele onderzoeksdoelen van CERN zijn:
-
De bouwstenen van alle materie
De fundamentele krachten tussen die bouwstenen
De oorsprong en bouw van het Heelal
Bij Cern, dat zich bevindt in Genève bij de Franse grens, werken meer dan tienduizend mensen,
waarmee het ook het grootste ‘deeltjeslaboratorium’ ter wereld is. Daarnaast werken nog vele
wetenschappers in andere landen (in Nederland bijvoorbeeld aan de Universiteit van Amsterdam en
die van Nijmegen) in dienst van CERN. Er komen zoveel gegevens uit de experimenten van CERN dat
er zoveel verwerkingscapaciteit en opslagruimte nodig is om die te verwerken, dat de gegevens
direct over de hele wereld worden vervoerd naar een heleboel universiteiten, zodat niet alles op één
plek hoeft te worden verwerkt. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van het World Wide Web, dat bij
CERN daarvoor ontworpen is door Tim Berners-Lee.
Volgens de wetenschap is het aannemelijk dat het
heelal zo’n 13,6 miljard jaar geleden is ontstaan uit
een grote (Oer)knal: The Big Bang. Hoe iets uit niets
kan ontstaan wordt verklaard met de termen
“materie” en “anti-materie”, die elkaar opheffen als
ze samenkomen, dus omgekeerd ook uit niets
kunnen ontstaan (beetje kort door de bocht, maar in
grote lijnen is dat de theorie). Toen het heelal
ontstond, ontstonden er dus materie en anti-materie
die elkaar direct weer zouden opheffen. Er bleef echter materie over…Waar is dan die anti-materie
gebleven? Dit is één van de vragen waar CERN een antwoord op probeert te vinden.
Een andere vraag is: wat gebeurde er de eerste 10 miljoenste seconde van de Big Bang? En nog een
vraag: waarom heeft een deeltje massa? Oftwel: waarom is het ene deeltje zwaarder dan het
andere? Men denkt dit te kunnen verklaren door een nog niet gevonden deeltje te zoeken: het Higgsdeeltje. In de pers wordt daar wel eens over bericht. Dit Higgs-deeltje is zo’n beetje de Heilige Graal
van de natuurkunde.
Al die vragen (en nog meer) probeert men bij CERN te beantwoorden met experimenten waar men
verschillende deeltjes op elkaar laat botsen. We weten namelijk dat als er deeltjes (met hoge
snelheid) tegen elkaar botsen, er nieuwe deeltjes en stralingen ontstaan en hiermee kunnen
wetenschappers zaken verklaren. En daar komt nu de term om de hoek kijken waar CERN altijd mee
wordt geassocieerd: een deeltjesversneller. In de loop van de jaren heeft CERN apparaten gebouwd
waarmee deeltjes een hoge snelheid kunnen krijgen. Het principe daarvan is: deeltjes in een cirkel te
laten bewegen (met behulp van magneten en elektriciteit) waardoor ze na elke omloop sneller
bewegen. Dus hoe meer omlopen, des te groter wordt hun eindsnelheid. We praten dan over
snelheden van 99,99% van de lichtsnelheid (en die is 300.000 kilometer per seconde!). Dat doen ze
met deeltjes in tegenovergestelde richting en uiteindelijk laten
ze die op elkaar botsen. Het zou te lang vergen om uit te leggen
hoe je deeltjes, die zelf een miljoenste van een miljardste meter
groot zijn op elkaar kunt laten botsen (laten we zeggen: goed
mikken!), maar dat lukt. Het apparaat dat de botsingen moet
registreren is zo groot als het paleis op de Dam! In de loop van
de jaren zijn zo heel veel dingen ontdekt. Eind jaren 80 werd, om twee soorten deeltjes op elkaar te
laten botsen, namelijk een elektron en een positron (oeps: technische term. Sorry!) een
cirkelvormige gang gegraven van 26,7 kilometer lengte (!) tussen 50 meter en 175 meter onder de
grond (o.a. om stralingsgevaar tegen te gaan), de LEP (Large Electron-Positron Collider).
Tot het jaar 2000 werd deze versneller gebruikt en één van de ontdekkingen daarbij was het
aantonen van hele vage deeltjes: neutrino’s. Dit zijn deeltjes die overal doorheen gaan (ook dwars
door de aarde) en die nagenoeg niet zijn aan te tonen. Daarna werd deze versneller geschikt gemaakt
voor een vervolgreeks proeven, maar nu met andere deeltjes. Deze deeltjes heten protonen en
vallen onder een groep deeltjes die hadronen worden
genoemd. De tunnel moest aangepast worden (hij lag er al;
eigenlijk hoefde hij niet zo lang te zijn, maar aanpassen was
goedkoper dan een nieuwe graven) en werd daarna de Large
Hadron Collider (LHC). O.a. wordt de hele installatie gekoeld
met vloeibare helium tot zo´n -269 oC. De energieën die met
deze proeven kunnen worden bereikt hebben een hoop angst
veroorzaakt (zelfs bij wetenschappers). Dat werd nog
versterkt door het feit dat er in 2008 een ongeluk mee
gebeurde, waardoor hij twee jaar stil heeft gelegen. Op dit ogenblik is hij in werking, wat helaas voor
mij betekende dat ik niet bij het apparaat zelf (de ATLAS detector) mocht komen.
Na de reparatie is men met lagere energieën gaan werken en in 2013 wordt hij stilgelegd, streng
gecontroleerd en vervolgens aangepast, waarna hij met hogere energieën gaat werken. Men
verwacht dan het zo gewilde Higgs-deeltje aan te tonen.
Behalve deze experimenten wordt er nog veel meer gedaan. Zo is er een afdeling die samenwerkt
met NASA en die het Heelal afspeurt naar antimaterie en Dark Matter (is het er wel, is het er niet?).
En dus ook een afdeling die onderzoek doet naar neutrino’s. Er worden bij bepaalde botsingen bij
Cern neutrino’s geproduceerd die door de aarde heen gaan.
Sommige daarvan komen terecht in Gran Sasso (Italië), waar
één van de weinige plekken is waar af en toe neutrino’s
kunnen worden waargenomen. De afstand van CERN naar
Gran Sasso is op de centimeter bekend (731 kilometer, 238
meter en 0 centimeter, met een foutenmarge van 20 cm) en
omdat de lichtsnelheid bekend is en neutrino’s met de
lichtsnelheid bewegen, is precies bekend hoe lang neutrino’s
over die afstand moeten doen. Ze bleken echter de afstand in
een kortere tijd afgelegd te hebben, wat dus betekent dat ze
sneller moeten hebben bewogen dan de lichtsnelheid. Dit is in 2007 ook al eens waargenomen, maar
je hebt altijd een foutenmarge en die in 2007 was zo groot, dat die meting gewoon fout scheen te
zijn. Dit keer echter was de afwijking maar heel klein (60 miljardste van een seconde), dus zelfs met
die fout zouden de neutrino’s toch nog sneller zijn.
Dit was niet een enkele meting van de week ervoor of zo; het gaat over vele malen herhaalde
experimenten in de afgelopen drie jaar! In de krant stond een (natuurkundig niet echt goede) leuke
betekenis van dit verschijnsel: als iets sneller gaat dan het licht kan dat het volgende tot gevolg
hebben: er wordt een doelpunt gescoord, WAARNA de bal op het doel wordt geschoten. Dus het
doelpunt valt voor de trap.
In wezen haal je de tijd in. Als het dus echt blijkt te zijn, betekent dat de natuurkunde op de schop
gaat, want die is hoofdzakelijk gebaseerd op de stelling dat de lichtsnelheid een constante is en niets
sneller kan dan deze snelheid.
De onderzoekers zijn zelf heel reëel: een stelling wordt pas wet als anderen dezelfde resultaten
boeken met soortgelijke experimenten. Ze waren ook heel duidelijk: ze pretendeerden niet hier het
absolute bewijs te hebben geleverd, maar hun experimenten gaven wel deze resultaten. Het vervolg
ligt nu bij andere onderzoekers: bewijs het tegendeel maar.
Er waren heel veel (kritische) vragen, maar die werden keurig allemaal weerlegd. Het was een
geweldige ervaring om mee te maken, want er zaten niet zomaar wat mensen; er lopen daar ook
Nobelprijswinnaars rond. Voor een natuurkundige was dit een topmoment en zo heb ik het ook
ervaren.
Als iemand nog vragen heeft, zoek me dan even op. Misschien weet ik zelfs het antwoord wel…
Aad Hofman
Docent natuurkunde Maerlant College