Eerst was er niets en toen is dat nog ontploft ook

1 Loesje
over de de Oerknal: “Eerst was er niets
en toen is dat nog ontploft ook”
Natuurkundigen weten weinig over het moment van de
Oerknal. Wat we wel begrijpen is de evolutie van ons
Universum vanaf zeg een miljoenste van een miljoenste
van een seconde tot vandaag 15 miljard na de Oerknal!
Ik vind vooral het prille begin van ons Universum
interessant. Het Universum begon onvoorspelbaar heet.
Dat betekent dat alles toen ontzettend snel bewoog.
Denk maar aan kokend water: dat beweegt, zeker
vergeleken met bevroren water, heel turbulent. Als
materie extreem hard botst wordt het afgebroken tot
op de kleinste bouwstenen: de elementaire deeltjes.
Ons Universum begon als een afkoelende soep van
elementaire deeltjes. Dat afkoelproces tot b.v. het
ontstaan van sterrenstelsels begrijpen we prima! En
begrijpen betekent in mijn vak dat er formules zijn
waarmee je het uit kunt rekenen. Zoals deze op mijn Tshirt!
2
Toch is er één aspect in de theorie met een fors
probleem. En wel ons gewicht oftewel onze massa.
In de theorie zijn eigenlijk alle elementaire deeltjes, en
daarmee alles om ons heen, massaloos. Kortom een
nogal waardeloze theorie!
Het begrip massa is sowieso iets waar natuurkundigen
door de eeuwen heen mee geworsteld hebben.
Newton & Einstein bijvoorbeeld.
Als ik deze voetbal een trap geef schiet hij met grote
snelheid weg. Als ik hetzelfde doe met deze bowlingbal
rolt hij langzaam weg (en heb ik pijn aan mijn voet). 3
Newton vatte dit samen in deze formule: F=ma. In
gewoon Nederlands: bij een bepaalde Kracht “F”,
wordt de Versnelling “a” en dus de snelheid van een
object bepaald door zijn Massa “m”. Om een zwaar
voorwerp te versnellen is een grotere kracht nodig dan
voor een licht voorwerp. Daarom is b.v. het gewicht
van sportauto’s en racefietsen zo belangrijk.
4
Einstein is verantwoordelijk voor ongetwijfeld de
bekendste formule: E=mc2. In gewoon Nederlands:
Energie “E” en Massa “m” zijn uitwisselbaar met als
wisselkoers de lichtsnelheid “c” in het kwadraat. Die
lichtsnelheid is gigantisch: 300 duizend km/s of in één
seconde zeven keer de Aarde rond!
Dit betekent dat een heel klein beetje massa enorm
veel energie kan leveren. Dit is precies wat onze zon
doet: massa omzetten in energie. Omgekeerd heb je
heel veel energie nodig om een klein beetje massa te
maken!
(Concreet: 10,000 kg is genoeg om de hele wereld voor
1 jaar van energie te voorzien!) 5
Nu terug naar die elementaire deeltjes zelf. Wat zijn de
elementairste deeltjes? Kijk daarvoor eens naar deze
schoonheid:
Met het blote oog komen we tot een fractie van een
millimeter en zien we allerlei complexe structuren;
Met een microscoop komen we veel verder en zien
we fantastische details: cellen, celkernen,
chromosomen en DNA. Om door te dringen tot de
kleinste bouwstenen moeten we naar de krachtigste
microscopen op Aarde:
De deeltjesversnellers. Daarmee komen we eerst
moleculen tegen. Vervolgens het atoom met zijn
negatief geladen elektronenwolk. Diep daarin de
positief geladen minuscuul kleine atoomkern. Die
atoomkern zelf bestaat uit protonen en neutronen. Die
op hun beurt weer bestaan uit quarks, in twee smaken
(net als bij de AH): up en down. Het proton huisvest
twee up-quarks en één down-quark terwijl het neutron
twee down-quarks en één up-quark huisvest. Heel
eenvoudig toch?
6 Hoe ontdek je een elektron? Met dit apparaat! Met een
forse batterij trek je deeltjes uit een gloeidraad. Dat is
deze groenige bundel. Deze bundel kan je afbuigen met
een magneet. Door hier nauwkeurig aan te meten
hebben we uiteindelijk ontdekt dat de bundel bestaat
uit zeer lichte elektrisch geladen deeltje. Die deeltjes
noemen we elektronen! Ditzelfde apparaat, eigenlijk
een deeltjesversneller, heeft trouwens decennia lang in
heel veel huiskamers gestaan. Als TV! Als u nog zo’n
oude TV, d.w.z. met zo’n toeter, heeft dan kunt u
vanavond zelf met een magneet gaan spelen en uw TVbeeld verstieren. En uw TV ook!
7
‘s Werelds grootste deeltjesversneller staat bij het CERN in
Genève. Hij werkt net zo als deze kleine deeltjesversneller.
Deeltjes worden versneld met krachtige batterijen en in
hun baan gehouden door enorme magneten. En enorm
staat voor een 27 km omtrek ondergrondse tunnel!
Om de krachtigste deeltjesbotsingen te bereiken worden
twee proton bundels frontaal op elkaar geklapt. U ziet hier
zelfs de quarks in de protonen. In iedere botsing worden
grote aantallen nieuwe deeltjes gecreëerd. Door met
enorme detectoren nauwkeurige foto’s te maken van deze
botsingen proberen we nieuwe elementaire deeltjes te
ontdekken!
De kracht waarmee die deeltjes op CERN op elkaar klappen
is trouwens vergelijkbaar met dat wat er in ons Universum
gebeurde toen het zo’n miljoenste van een miljoenste van
een seconde jong was! Zo bekeken bootsen we op CERN de
omstandigheden van ons piepjonge Universum op kleine
schaal na! 8
Hier zien we een foto van één proton-proton botsing. U
ziet een groot aantal sporen van nieuw gecreëerde
deeltjes (E=mc2). Alle witte spoortjes zijn een beetje
krom vanwege het sterke magneetveld waarin de
detector staat. Beetje krom betekent dat ze makkelijk
af te buigen zijn en dus weinig energie hebben. De
twee gele sporen zijn vrijwel recht. Dat zijn sporen met
heel veel energie en daarom de interessantste.
Met Einstein’s theorie en met name via de formule
E=mc2 kunnen we een massa toekennen aan de twee
gele sporen. Door dit voor heel veel gebeurtenissen te
doen krijgen we een frequentie verdeling van gevonden
massa’s.
9 Die zien jullie hier. Deze punten b.v. corresponderen
elk met 10,000 gebeurtenissen van het type wat ik net
heb laten zien. Nu gebeurt er iets waar een elementair
deeltjes fysicus als ik opgewonden van raakt. Deze
verdeling heeft pieken! Iedere piek wijst op het bestaan
van een elementair deeltje. Ik had jullie al verteld over
het elektron en de up- en down quarks.
-Dit piekje heeft te maken met een nieuw type quark:
het vreemde quark;
-En deze hele grote piek hoort bij nog zo’n ding: het
charm quark;
-En deze piek bij het beauty quark!
-En deze laatste piek is iets waar ik het helaas niet over
ga hebben maar waar wel een Nederlander in 1984 de
Nobelprijs voor heeft gekregen!
10
En nu terug naar de massa’s van de verschillende
elementaire deeltjes. In het begin heb ik gesteld dat we
daar een theoretisch probleem mee hebben d.w.z. hoe
krijgen we de massa’s van de elementaire deeltjes
netje in onze formules?
Zo’n 50 jaar deed Peter Higgs daarvoor een
revolutionair voorstel. Hij veronderstelde dat het hele
Universum gevuld is met een veld. Nu hoor ik u
denken: Een veld wat is dat? Zonder dat u het weet,
maakt u dagelijks gebruik van natuurkundige velden.
Magnetische velden b.v. worden gebruikt in dynamo’s
en elektromotoren. Ik kan zo’n veld zichtbaar maken
met wat ijzervijlsel. Kijk, nu ziet u het veldpatroon.
Een veel belangrijker veld is het elektromagnetische
veld. Als u mij belt gaat er een elektromagnetische golf,
d.w.z. een in de tijd simultaan veranderend elektrischen magnetisch veld van uw telefoon via een zendmast
naar de mijne! U ziet er niets van, maar het is er wel
en het werkt! Daarom is natuurkunde zo mooi! 11 Nou
dat veld van meneer Higgs. Dat veld is zodanig dat het
de elementaire deeltjes massa geeft doordat het plakt
aan de elementaire deeltjes. Aan lichte deeltjes plakt
het amper en daarom zijn ze licht. Aan zware deeltjes
plakt het enorm en daarom zijn ze zwaar. Vergelijk het
veld maar met sneeuw:
-Een licht deeltje is als iemand op ski's: die glijdt
makkelijk over de sneeuw;
-Een zwaar deeltje is als iemand op sneeuwschoenen:
die loopt moeilijk door de sneeuw. En nu zijn we er
bijna. In de natuurkunde hoort bij ieder veld een
deeltje. Zo hoort b.v. bij het elektromagnetische veld
van uw telefoon het lichtdeeltje. Lichtdeeltjes komen
b.v. uit deze laserpointer. Als de hypothese van meneer
Higgs juist is dan moet er ook een deeltje bij zijn veld
horen. Dat deeltje heet het Higgs deeltje en er is bijna
50 jaar intensief naar gezocht.
12 En in 2012 hebben we hem gevonden! Vinden
betekent een nieuwe piek zien in een verdeling zoals ik
eerder liet zien. Hier ziet u de beste verdeling om in te
zoeken. De meetgegevens komen per dag binnen. De
rode verdeling is wat we verwachten te zien zonder een
Higgs deeltje. Als er in de data punten ergens een piek
ontstaat die afwijkt van de rode verdeling dan heb je de
Higgs ontdekt! (En kan je de Nobelprijs in Zweden
ophalen). Hier gaat hij dan: 2011,, 2012, …. En nu is
de dataset compleet. En jawel: een mooie extra piek bij
125 keer de massa van het proton. Dat is de
ontdekking van de Higgs. Zo simpel is het.
13 En
wat neemt u nu mee? Dat naast het u vast al
bekende elektron, ons universum bestaat uit quarks.
Protonen en neutronen bestaan uit de up- & down type
quarks. Daarnaast heeft u gezien dat er ook vreemde,
gecharmeerde en beauty quarks zijn. En als toegift geef
ik u ook nog het top quark. Zes in totaal dus. En dan is
er die Higgs. Die geeft al die deeltjes massa.
14
En nu toch nog even terug naar de vraag in dit college:
Waar komt massa vandaan? Higgs?
Is massa, bijvoorbeeld onze eigen massa, nu echt
allemaal de schuld van meneer Higgs? De massa’s van
de elektronen en de up en down quarks in ons lijf tellen
helaas op tot slechts 1.2% van onze eigen massa.
De rest?
De energie waarmee de quarks klonteren tot protonen
en neutronen! Via E=mc2 geeft dat ruim 98% van onze
massa! Kortom: Einstein dus.
In het volgende college ga ik in op de volgende vraag:
Is reizen naar Mars gevaarlijk?
15