Op zoek naar het Higgsdeeltje - ie

technologie
Op zoek naar het Higgsdeeltje
Ing. Luc Van Lancker MSc werkt voor de CERN
BRUSSEL. Het onderzoek naar de microwereld van het atoom heeft de deuren voor allerlei nieuwe toepassingen geopend: moleculaire biologie, gentechnologie, geneeskunde, computer, laser, kernenergie e.a. In de CERN nabij
ca hadden we met collega Van Lancker
een boeiend gesprek.
CERN
Genève doet men fundamenteel onderzoek naar elementaire deeltjes. Men
laat er deeltjes met lichtsnelheid op elkaar botsen in de hoop inzicht te krijgen
in het volgende diepteniveau van het atoom, de quarks. Een nevenproduct is
het wereldwijde web dat de Vlaming ir. Robert Cailliau in 1989 bij de CERN ontwikkelde.
! Van onze hoofdredacteur
Bij de CERN werken rechtstreeks ongeveer 2.500 mensen. Daarnaast nemen
zowat 7.500 wetenschappers uit 38 landen
deel aan experimenten. 75 Belgen houden
zich met het onderzoek bezig, een 400-tal
met ondersteunende taken. Een van hen is
collega Ing. Luc Van Lancker MSc, die
sinds 1973 teamlid ‘Elementaire deeltjes
en fysica’ is. Hij is verbonden aan de
‘Compact Muon Solenoid Detector’
(CMS), één van de vier detectiestations
waar men de botsing van de protonen
observeert. Over het grootste wetenschappelijk onderzoek in de deeltjesfysi-
“ Het elektron is het werkpaard
van de elektronica en het eerste
elementaire deeltje dat voor het
proton en neutron werd ontdekt.”
I-mag april 2012
14
Oorspronkelijk stond het letterwoord voor
‘Conseil européen pour la recherche
nucléaire’. In 1954 werd de Raad opgeheven en vervangen door ‘l’Organisation
européenne pour la recherche nucléaire’.
Na enkele jaren bleek ook die nieuwe
naam de lading niet echt meer te dekken,
maar de naam bleef toch behouden voor
de huidige experimenten van de CERN,
met name die van de deeltjesfysica.
“Aan de basis van die fundamentele ontdekking ligt de opkomst van de elektronische industrie en van allerlei dagelijkse
toepassingen van de elektronica tot in alle
hoeken van de samenleving”, zegt Luc
Van Lancker.
TECHNOLOGIE
Subatomaire deeltjes
Luc Van Lancker
Luc Van Lancker werd in 1948 in Liedekerke geboren. Hij
volgde de A3- en A2-opleiding aan technisch instituut Don
Bosco in Sint-Denijs-Westrem. Daarna studeerde hij voor
technisch ingenieur elektromechanica aan de toenmalige
Sint-Antoniushogeschool in Gent. Na een korte periode in
een verkoopsbureau voor mechanisch materiaal te hebben gewerkt solliciteerde
hij bij de VUB. Hij moest een toegangsexamen afleggen met specifieke vragen in
verband met fysica en de wetten van de Duitse sterrenkundige Johannes Kepler.
Zijn loopbaan begon in het laboratorium voor hogere energieën van prof. dr.
Jacques Lemonne, toen nog in de KMS aan de Hobbemastraat in Brussel. Ing.
Luc Van Lancker MSc is sinds 1973 teamlid elementaire deeltjes en fysica.
NL
“Het werkpaard van de elektronica is het
elektron, één van de lichtste van alle elementaire deeltjes. Omdat het een lading
heeft, is het met behulp van een elektrisch
veld eenvoudig aan te sturen. In een computerchip gebeurt dat miljoenen keren per
seconde. We staan er allang niet meer bij
stil. Amper een goede eeuw geleden was
de ontdekking door Thomson en zijn team
het resultaat van fundamenteel onderzoek. Die ontdekking heeft de wereld
behoorlijk veranderd. Zo zal het ook gaan
met het fundamenteel onderzoek van de
CERN. Fundamenteel onderzoek is
immers onze hoofdopdracht. In het standaardmodel van de deeltjesfysica worden
de krachten en de deeltjes van alle materie beschreven. Het werd voor het eerst in
de jaren ’70 opgezet. Dankzij het standaardmodel konden wetenschappers de
uitkomst van hun experimenten voorspellen. Maar niet alle voorspellingen waren
juist. Volgens het standaardmodel zijn
neutrino’s massaloos. Maar dat is niet het
geval volgens onze metingen.”
“Er zijn ongeveer 200 subatomaire deeltjes bekend. Subatomaire deeltjes zijn
enerzijds het fermion (elektron, muon en
quark) en het boson (foton en gluon) en
anderzijds het hadron (proton en neutron). Een hadron is een subatomair deeltje dat uit quarks bestaat. Het Griekse
woord hadros betekent sterk. Vier procent
van de massa van het heelal bestaat uit
hadronen. De positief geladen protonen
en de elektrisch neutrale neutronen worden in de atoomkern door een sterke
kracht, ook wel kernkracht genoemd, bijeengehouden. De quarks – deeltjes van
protonen en neutronen – zijn ook aan een
sterke kracht onderhevig. De ‘lijmdeeltjes’ die de quarks bij elkaar houden, de
zogeheten gluonen (glue=lijm), zijn de
dragerdeeltjes van de sterke kracht. Vlak
na de oerknal toen ons heelal ongeveer
tien microseconden oud was, bestonden
er geen protonen, neutronen of atoomkernen.”
Oerknalimitatie
In een cirkelvormige tunnel van 27 kilometer, op een diepte van 100 meter, nabij de
Frans-Zwitserse grens bij Genève, worden twee tegenovergestelde protonen-
Kosmologie
De kosmologie is het onderzoek van de oorsprong,
evolutie en structuur van het heelal. Dat onderzoeksgebied werd eeuwenlang beheerst door ideeën, die
gestoeld waren op een religieuze leer en die het creationisme aanhingen: een of meerdere goden hadden
het complete heelal geschapen. In 1927 opperde
UCL-professor en priester Georges Lemaitre dat het
heelal zijn oorsprong had in de explosie van een ‘oeratoom’. Dat werd bekend als de oerknal of ‘Big bang’.
Fred Hoyle bedacht de term ‘Big bang’ en bedoelde
het eerder denigrerend. Hij had immers een statisch
heelal vooropgesteld. Zijn ‘steady-state-theorie’
bepaalde dat het heelal ‘eeuwig en oneindig in tijd en
grootte’ is. De klap voor de steady-state-theorie werd
in 1963 gevolgd door de ontdekking van krachtige
radiobronnen, die ‘quasars’ werden genoemd. Men
ontdekte dat quasars niet alleen radiogolven uitzenden, maar ook verschillende andere golven. Men
berekende dat quasarbronnen miljarden lichtjaren
van de aarde zijn verwijderd. Quasars maken deel uit
van de vroege stadia van het heelal en van de theorie
van de oerknal waarover het experimenteel onderzoek vandaag doorgaat.
NL
15
I-mag april 2012
Detectoren
De vier detectoren worden aangeduid
met een eigen benaming. Alice, Atlas,
LHCb en CMS hebben ook elk enkele
specifieke kenmerken. Je vindt ze hieronder.
Atlas (grootste detector)
L: 46 meter - H: 25 meter - B: 25 meter
Gewicht: 7.000 ton
Personeel: 1.900 fysici e.a. uit 164
instituten van 3 landen
Ligging:
Meyrin, Zwitserland
Alice
(A Large Ion Collidor Experiment)
L: 26 meter - H: 16 meter - B: 16 meter
Gewicht: 10.000 ton
Personeel: 1.500 fysici e.a. uit 104
instituten van 31 landen
Ligging:
St.-Genis-Pouilly, Frankrijk
LHCb
(Large Hadron Collider beauty)
L: 21 meter - H: 10 meter - B: 13 meter
Gewicht: 5.600 ton
Personeel: 650 fysici e.a. uit 47
instituten van 14 landen
Ligging:
Ferney, Voltaire, Frankrijk
bundels met een snelheid van het licht
met elkaar tot botsing gebracht. Op die
manier imiteert men de oerknal, het
moment waarop het universum 13,7 miljard jaar geleden ontstond. De installatie
die daarvoor is gebouwd, omvat de grootste deeltjesversneller ter wereld. De
wetenschappelijke inzet is enorm. Ze
hopen dat het experiment de ontbrekende
sleutel van de natuurkunde oplevert.
Met de 27 kilometer lange deeltjesver-
I-mag april 2012
sneller (Large Hadron Collider, afgekort
LHC) hoopt men het Higgsdeeltje te vinden. Dat is het enige deeltje dat werd
voorspeld, maar nog niet werd waargenomen. Het deeltje is van groot belang om
de massa van alle andere deeltjes te verklaren. Het deeltje ontleent zijn naam aan
de Schotse fysicus Peter Higgs. Terwijl
het mechanisme werd opgesteld samen
met twee Belgen: Francois Englert en
Robert Brout.
16
CMS
(Compact Muon Solenoid Detector)
L: 21 meter - H: 15 meter - B: 15 meter
Gewicht: 12.500 ton
Personeel: 2.500 fysici e.a. uit 181
instituten van 8 landen.
Ligging:
Cessy, Frankrijk.
Bron: CERN
NL
“Het Higgsdeeltje
is de drager van het
Higgsveld dat in het hele
universum aanwezig is. De experimentele
zoektocht naar het Higgsdeeltje begon al
met de LEP-deeltjesversneller, de Large
Electron-Positron Collider. LEP had een
omtrek van 27 km en lag 100 meter onder
de grond in een ringvormige tunnel aan de
grens tussen Frankrijk en Zwitserland.
Die versneller was tussen 1989 en 2000 in
TECHNOLOGIE
bedrijf en was destijds de grootste deeltjesversneller ter wereld. In de elf jaar dat
LEP in gebruik was werden belangrijke
wetenschappelijke ontdekkingen gedaan.
De LEP bestond net als alle ringvormige
versnellers uit enkele magneten die de
elektrisch geladen deeltjes in een cirkelvormige baan houden en quadrupolen die
de deeltjes gebundeld houden. LEP had
vier detectoren. De massa van het zogenoemd Z-boson en het W-boson werden
precies gemeten door LEP. Door nauwkeurige metingen van de massa’s van
het Z- en W-boson kan men het
aantal neutrino’s bepalen die
in het standaardmodel
passen. In december
2011 werden op de
CERN misschien aanwijzingen gevonden
dat het Higgsdeeltje
werkelijk bestaat. Het
zou waargenomen moeten worden door de
Atlas- en CMS-detectoren. Pas in de tweede helft
van 2012 zullen we meer zekerheid hebben of het Higgsdeeltje
werd gevonden.”
Versnellers
Luc Van Lancker: “De protonen worden in
verschillende stappen versneld tot 99,9 %
van de lichtsnelheid, 300.000 km per
seconde. Dat gebeurt eerst in een reeks
voorversnellers. Maar het belangrijkste
onderdeel is de 27 kilometer lange cirkelvormige tunnel, de Large Hadron Collider.
De LHC is geen perfecte cirkel, maar
bestaat uit verschillende sectoren. In elke
sector zijn er 154 reusachtige elektromagneten ondergebracht. Het versnellen en
op juiste koers houden van de protonen
gebeurt met ongeveer 9.500 supergeleidende magneten die samen 32.000 ton
wegen en een magnetisch veld opwekken
dat 100 keer krachtiger is dan dat van de
aarde. Omdat zoiets enkel mogelijk is bij
extreem lage temperatuur, worden de buizen gekoeld tot 271 graden Celsius onder
nul. De dipoolmagneten geven een ‘kromming’ aan de bundel protonen. De quadrupool magneten houden de deeltjes bijeen
of focussen. De versneller heeft 2 parallelle bundelpijpen waar de protonenstralen in tegenovergestelde richting doorheen komen. Op 4 plaatsen van het traject
komen de 2 schachten samen en leiden de
botsingen tussen de protonen tot miljoenen sporen die we observeren en vastleggen. Elke botsingsplaats heeft zijn eigen
detectiecentrum en wordt aangeduid met
de letterwoorden CMS, LHCb, Atlas en
Alice. Drie detectoren staan op het
grondgebied van Frankrijk, één op dat van
Zwitserland. Computers kunnen 100 botsingen per seconde selecteren en in 3D
weergeven.”
Bundels
In elke bewegingsrichting bedraagt de
energie van de protonen 3,5 tera elektronvolt. Voor de twee richtingen bedraagt de
totale energie 7 tera elektronvolt.
“In de toekomst gaan we naar 7 tera
elektronvolt in elke richting
dus 14 tera elektronvolt
totale energie”, zegt Ing.
Luc Van Lancker. “Op
elk van de 4 observatieplaatsen vinden
40.000.000 botsingen
per seconde plaats.
De lange bundeldeeltjes noemen we
een bunch. Dat zijn
kleine
pakketjes
microscopische deeltjes
die in de ring 11.000 keer per
seconde ronddraaien. Op de 4
plaatsen waar de detectoren staan – de
interactiepunten – worden ze gesqueezed,
d.w.z. samengedrukt tot een diameter van
1 mm en in het interactiepunt tot een diameter van ongeveer 17 micron. De diameter van een bundel verandert naargelang
de plaats in de LHC. Ter vergelijking: een
mensenhaar is ongeveer 50 micron dik.”
Onderzoek
Ing. Luc Van Lacker toont een elektronische schakeling of stripdetector om gegevens uit te lezen van de CMS-detector.
Het is een voorbeeld van internationale
samenwerking onder ingenieurs en vorsers van verschillende disciplines.
Ingenieurs van de universiteit van Pisa
hebben een deel van de schakeling ontworpen. Een andere deel van de schakeling is een realisatie van de ingenieurs
van het Imperial College in Londen, van
ingenieurs uit China, maar ook van
Belgische ingenieurs. Microstrippen die
hun toepassing in de ruimtevaartprogramma’s vonden, dienen als signaal en
voedingskabel voor de verbinding van de
detector in de LHC met de computers.
Miljoenen gegevens moeten worden verwerkt.
“In de CERN ontstaat heel vaak een technologie die men voorheen niet kende.
Daar heeft men vooral praktische ingenieurs voor nodig, maar met kennis van fysica. Mijn job is niet meteen iets om op een
familiefeest uit te leggen. Ik heb gaande-
17
weg wel geleerd om de essentie bondig
aan buitenstaanders over te brengen,
maar het blijft een moeilijke materie. Leg
maar eens uit hoeveel protonen in een
vingerhoed passen. Dat is helaas niet in
mensentaal uit te drukken. Fundamenteel
onderzoek krijgt vaak jaren later erkenning en waardering. Het is zoals een foto
maken van iemand: het heeft weinig waarde op het moment dat men de foto maakt.
Pas vele jaren later waardeert men de
opname. Men realiseert zich vaak niet dat
de wetenschap zich ook met andere dingen bezighoudt dan met natuurkundige
opdrachten, biologische verklaringen of
wiskundige berekeningen. De productie
van technische apparatuur is vaak een uitvloeisel van wetenschap. De eerst
gebouwde mechanische rekenmachine
van de wiskundige Blaise Pascal was een
wetenschappelijk ontwikkeld apparaat. In
de 19de en 20ste eeuw zagen tal van technische wetenschappen het licht. Denk
maar aan de MNR-scanner. De industrieel
ingenieur is daar ook een ‘product’ van.
Daarom is het begrip ‘toegepaste ingenieurswetenschappen’ een begrip dat bij de
industrieel ingenieurs behoort. Ook binnen het kader van de chemie is er sprake
van technische wetenschap. In de CERN
doet men aan fundamentele experimentele fysica.”
“ Steinberger is 90 jaar en komt
bij goed weer dagelijks met de
fiets naar de CERN.”
Nobelprijswinnaars
In 1974 kreeg de Chinees Sam Ting de
Nobelprijs fysica. In 1984 was het de beurt
aan de Italiaan Carlo Rubbia, samen met
de Nederlander Simon Van der Meer. In
1988 was het de beurt aan de Duitser Jack
Steinberger. In 1992 kreeg Georges
Charpark de Nobelprijs. Allen werkten ze
voor de CERN.
“Steinberger is 90 jaar en komt bij goed
weer dagelijks met de fiets naar de
CERN”, zegt Luc Van Lancker. “Als het
sneeuwt, komt hij met de auto. Drie weken
geleden zaten we samen in de cafetaria.
Steinberger leidde een experiment en ontdekte voor de fysica fundamentele deeltjes.”
Tekst: Ing. Noël LAGAST MSc
Foto’s: CERN
I-mag april 2012