Alice en de quarkgluonsoep

Alice en de quarkgluonsoep
Designer:
Jordi Boixader
Geschiedenis en tekst:
Federico Antinori, Hans de Groot, Catherine Decosse,
Yiota Foka, Yves Schutz en Christine Vanoli
Productie:
Christiane Lefèvre
Vertaling:
Margriet van der Heijden
Gedrukt bij CERN – Januari 2011
Wij danken James Gillies voor zijn medewerking
Experiment ALICE
Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek
CH-1211 Genève 23 – Zwitserland
www.cern.ch/ALICE
[email protected]
Oh, oh! Ik kom te laat.
Wow, wat een smak.
Ik geloof dat ik bij het
middelpunt van de aarde
ben… Wie bent u?
Nou, nou, jij bent wel
nieuwsgierig hé? Je
bent 52 meter naar
beneden gevallen in
de schacht van het
ALICE-experiment.
Alice??
Ik heet ook Alice. En u?
Wat is dit? Wat is dat voor een
groot apparaat? Waarvoor is het?
Wat doet u hier? En waarom zijn
we onder de grond?
Ik heet Carlo.
Ik ben natuurkundige.
Allemachtig. Één vraag tegelijk graag.
Zal ik je rondleiden? Kom maar mee.
We maken hier een soort soep – een
‘quarkgluonplasma’. Maar laten we beginnen
bij het begin. Heel lang geleden, wel bijna
14 miljard jaar en veel minder dan een seconde
na de Oerknal, toen bestond alle materie uit
een soep van quarks en gluonen.
Oerknal?
Materie?
Quarks?
Gluonen?
Wat zijn dat?
Het klinkt goed, maar ik
begrijp er niks van.
ATOOM
proton
Hoi, ik
ben een
quark
kern
en ik
ben een
gluon!
elektron
Materie is waarvan alles is gemaakt: jij en ik, de aarde en de maan,
de zon en alle andere sterren en sterrenstelsels. We denken dat die
materie ontstond tijdens de Oerknal. Daarna heeft die ‘oermaterie’ zich
ontwikkeld en nu bestaat materie uit atomen die kleiner zijn dan alles
wat je je kan voorstellen. Atomen bestaan uit een atoomkern waar
elektronen omheen draaien. Atoomkernen bestaan uit protonen en
neutronen en daarin zitten nóg kleinere deeltjes: de quarks en gluonen.
neutron
Oké, dus quarks, gluonen en elektronen zijn de bouwsteentjes van
materie. En kun je die met het ALICE-experiment zien? Of is het een
soort snelkookpan waarin je een quarkgluonsoep maakt?
BOEM!
Botsing
Soep
Allebei. We maken een mini-Oerknal na door twee
atoomkernen te laten botsen. Daar komt zoveel energie bij
vrij dat de duizenden quarks en gluonen bevrijd worden
die normaal in de atoomkernen zitten opgesloten. Samen
vormen ze een soort dikke soep die we quarkgluonplasma
noemen.
Klopt. Deze soep koelt heel snel af, in een flits,
en dan klonteren steeds twee of drie quarks met
gluonen samen tot nieuwe deeltjes.
ALICE moet die nieuwe deeltjes opsporen.
Zo is het. ALICE ziet alleen de klontjes, ik bedoel:
de nieuwe deeltjes die uit de soep zijn ontstaan.
Wij proberen daarna uit te zoeken hoe de soep in
elkaar zat.
Een beetje fantasie en ook wat wiskunde en heel
veel computers.
Die kun je zeker niet proeven: veel te heet.
Mama zegt altijd dat ik even moet wachten voor
ik mijn soep eet...
Dus je ziet geen losse
quarks en gluonen
omdat ze klontjes
vormen, zoals in
brintapap.
Dan heb je veel
fantasie nodig.
Hoe laat je die atoomkernen botsen?
ALICE ligt midden op de route van atoomkernen die met
de lichtsnelheid in tegengestelde richting voortrazen in
een machine die LHC-versneller heet. Het is een ring met
een omtrek van 27 kilometer, 100 meter onder de grond.
Gaan die atoomkernen
sneller dan een formule-1
racewagen?
Maar hoe kun je de gluonen en quarks
zien als ze zó snel gaan?
Oh ja, véél sneller. Elke seconde passeren de atoomkernen de
grens tussen Zwitserland en Frankrijk (want daaronder ligt die
ring) wel 20.000 keer. Zo snel gaan ze .
Zet je helm op, dan laat ik
je het zien.
Sesam open u!
ALICE weegt evenveel als
de Eiffeltoren, maar is zo
klein dat ze past onder
één van de pijlers van die
toren.
Dat ziet er zwaar uit.
In deze snelkookpan, sorry,in dit
experiment past dus heel veel soep.
Helemaal niet. Het quarkgluonplasma neemt haast geen
ruimte in. Maar een klein beetje meer dan één atoomkern.
Is dat kleiner dan een mier?
Oh ja, een mier bestaat uit miljoenen keer miljoenen atomen. ALICE moet
groot zijn doordat de duizenden deeltjes die bij een botsing ontstaan met
bijna de lichtsnelheid in alle richtingen wegschieten.
In de pan, eh het experiment, zitten verschillende onderdelen,
detectoren geheten, die elk hun eigen taak hebben.
Waarom? Is één detector niet genoeg?
Met de detectoren kun je dus
deeltjes bekijken zoals met een
microscoop?
De deeltjes zijn niet allemaal hetzelfde. En net zoals je geen muis
kan vangen met een hengel, zo heb je ook de ene detector nodig
voor het vangen van elektronen en de andere voor protonen.
Ja, maar je ‘ziet’ ze niet met je ogen.
Mijn naam is proton. Ik hoor bij de familie
van baryonen. Ik besta uit drie quarks.
Mijn naam is pi-meson,
kortweg pi. Ik besta uit
twee quarks.
Ik geef je een paar voorbeelden.
In onze grootste detector zit een
speciaal gasmengsel. Als deeltjes
daar doorheen reizen, laten ze in
dat gas een spoor achter. Door
de sporen te bestuderen kunnen
onderzoekers de deeltjes herkennen.
Zoals een jager aan dierensporen
kan zien of er een hert of een konijn
is langs gelopen.
Dus je ziet de deeltjes zelf niet?
Precies, we zien alleen hun sporen. Een andere detector meet, nog
preciezer dan een Zwitsers horloge, hoe lang deeltjes erover doen
om van het ene naar het andere punt te reizen.
Als ze evenveel energie hebben gekregen, dan reizen zware deeltjes
toch langzamer dan lichte deeltjes.
Zijn er deeltjes die zo licht
en snel zijn dat je ze niet kan
meten?
Er zijn deeltjes die helemaal geen massa hebben en
die met de lichtsnelheid voortbewegen. Het is het licht
zelf. Het bestaat uit lichtdeeltjes die ‘fotonen’ heten. Om
fotonen te vangen hebben we een superzwaar kristal
nodig, zo zwaar als lood en zo transparant als glas.
Oef!
Hoe kan je de deeltjes zien als het
deksel op de pan zit?
Neem je een foto?
Alweer goed. Elke detector is uitgerust met elektronica die de
sporen van de deeltjes vastlegt en alle informatie daarover in
digitale vorm naar computers stuurt. Het zijn dezelfde computers
als waarmee jij over internet surft, maar wij hebben er duizenden.
En dan kijk je naar de foto en stel je je voor wat er gebeurd
moet zijn om hem precies zo te krijgen?
Er worden miljarden foto’s genomen, en er zijn honderden
onderzoekers over de hele wereld nodig om die te
bestuderen. Die onderzoekers werken in groepen. Ze
bedenken samen verschillende scenario’s en bekijken welk
scenario hun bevindingen uit de foto’s het beste beschrijft .
Wij willen de eigenschappen van
het quarkgluonplasma leren
kennen en zo een paar bladzijden
over de geschiedenis van het
heelal erbij schrijven.
Wow, dan worden jullie rijk en
beroemd!
Nou, dat denk ik niet. We doen hetzelfde
als wat jij deed toen je het konijn achterna liep: we
zijn nieuwsgierig en willen weten hoe het zit.
Onze resultaten kunnen ons bijvoorbeeld laten
zien hoe materie zich ontwikkelde in het
vroege heelal.
Ons? Wij? Wie zijn ‘wij’?
Wij - dat zijn ongeveer duizend onderzoekers,
ingenieurs, technici en studenten uit de hele
wereld. We hebben jarenlang gewerkt om
het ALICE-experiment te
ontwerpen en te bouwen.
Het is nu spannend maar het
allerspannendst is het koken van
de soep… Nu we het daar toch
over hebben: ga je mee naar
ons feestje? Dan stel ik aan mijn
collega’s voor..
Oef,
gehaald!
Volgt…