Het grote verhaal van het kleine deeltje

Alles over CERN en de deeltjesversneller
Het grote verhaal van het kleine deeltje
De deeltjesversneller in Geneve staat sinds maart weer aan, vanaf juni botsen er
deeltjes op elkaar en in 2016 worden de eerste resultaten verwacht. Hoe zat het
nou ook allemaal alweer?
CERN en de LHC
Door: Odette Knappers
Het terrein waar ook de deeltjesversneller staat (Zie kader CERN
en de LHC), is heel groot. Zo groot, dat er straatnaambordjes
staan. Alle straten zijn vernoemd naar beroemde onderzoekers,
zoals Marie Curie, Newton en natuurlijk Einstein.
Op dit enorme terrein gebeurt van alles. CERN is vooral beroemd
om de deeltjesversneller LHC, maar alle resultaten van de botsingen moeten ook worden bestudeerd. Er zijn heel veel gebouwen met kantoren voor de onderzoekers.
De deeltjesversneller LHC (Large Hadron
Collider) is onderdeel van het onderzoeksinstituut CERN (European Organization for Nuclear Research) in Genève.
Dat de afkorting CERN niet overeenkomt
met de letters van de volledige naam,
komt omdat de afkorting gebaseerd is op
de oorspronkelijke, Franse naam voor
het onderzoeksinstituut: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire.
Deze gebouwen zijn niet hypermodern, iets wat je misschien wel zou verwachten van zo’n beroemd onderzoeksinstituut. CERN-wetenschapper Herman Ten Kate legt uit waarom de gebouwen een beetje vervallen
zijn: “CERN draait op belastinggeld. We kunnen er voor kiezen om van dat geld de gebouwen op te knappen,
of om er nieuw materiaal van te kopen om onderzoek mee te doen. Het maakt ons niet zo veel uit hoe de
gebouwen er van buiten uitzien, we kopen liever een nieuw onderdeel voor de versneller!”
Deeltjes ontdekken
Het versnellen en op elkaar laten botsen van de deeltjes is toch wel hetgeen waar CERN voornamelijk om
draait. Dit doen de onderzoekers omdat ze nieuwe deeltjes willen ontdekken. Dat willen ze, omdat ze hebben bedacht dat het hele universum logisch zou zijn als er van ieder deeltje een tegenhanger is. Dit noemen
ze supersymmetrie, wat ze wel eens afkorten tot Susy. Van sommige deeltjes hebben ze de tegenhanger al
ontdekt, maar van andere nog niet. Ze willen die andere deeltjes graag ook ontdekken, om er zeker van te
zijn dat wat ze bedacht hebben ook echt klopt.
Higgsdeeltje
Deze ‘nieuwe’ deeltjes kunnen ons ook veel leren over ons
heelal. Zo weten onderzoekers dat er een soort materie is in
het heelal die we niet kunnen waarnemen. Ze weten dat die
er is, omdat ze het effect ervan kunnen zien. Ze noemen dit
donkere materie. Ze hopen dat ze het bestaan van donkere
materie kunnen verklaren als ze nieuwe deeltjes ontdekken.
In de zomer van 2012 haalde CERN het
nieuws: het Higgsdeeltje was gevonden.
Dit komt er op neer dat ze in de versneller een deeltje hebben waargenomen
met de massa die voorspeld was voor
het Higgsdeeltje. Dit deeltje zorgt er
voor dat alle deeltjes massa hebben. Dit
kun je voor je zien als Higgsdeeltjes die
overal aan vast blijven plakken en daardoor zorgen dat alles gewicht krijgt.
Deeltjes maken
Hoe ‘maken’ de onderzoekers eigenlijk die nieuwe deeltjes?
Volgens de wet van Einstein, E=mc2, kun je energie omzetten
in massa. Maar dan heb je wel heel veel energie nodig. Daarom versnellen de wetenschappers de deeltjes totdat ze heel snel gaan, bijna net zo snel als het licht. Want
iets dat heel snel gaat, heeft veel energie. En als er dan twee deeltjes op elkaar botsen, kan het gebeuren dat
er andere deeltjes ontstaan uit de energie die vrijkomt bij die botsing.
Deze deeltjes vallen heel snel weer uit elkaar, net als een zandkasteel uit elkaar kan vallen. Soms vallen de
deeltjes zo snel uit elkaar, dat de wetenschappers niet eens voldoende tijd hebben om met al hun meetapparatuur, met de detectoren, de deeltjes waar te nemen. Hoe weten ze dan welke deeltjes er zijn geweest?
Door te kijken naar de brokstukken van de deeltjes kunnen de onderzoekers achterhalen van welk deeltje ze
komen. Dit kun je een beetje vergelijken met voertuigen. Als je losse onderdelen van een auto ziet: het
stuur, de stoelen, vier wielen, dan weet je dat die onderdelen van een auto zijn en niet van een motor. Zo
werkt het ook met deeltjes.
Deeltjes botsen
Gerepareerd
Het op elkaar laten botsen van deeltjes klinkt heel
In het begin, bij de opstart in 2008, was er een
makkelijk. Maar deeltjes zijn heel klein, ze moeten
technisch probleem met de bevestiging van een
heel snel gaan, en ze moeten elkaar raken. Om een
van de magneten. Dat is toen wel verholpen,
botsing tussen twee hele kleine deeltjes voor elkaar
maar de technici durfden het niet aan om de
te krijgen, hebben de onderzoekers heel veel materiversneller op vol vermogen te laten draaien zonaal nodig.
der het hele apparaat nauwkeurig langs te lopen.
Dit was geen probleem, want ook op het lagere
De deeltjes worden versneld door ze heel hard rond
pitje konden de wetenschappers al veel onderte slingeren, net als de was in een wasmachine. Als
zoek doen. Nadat de onderzoekers van CERN
de deeltjes op snelheid zijn, dan mogen ze de grote
bekend maakten dat ze het Higgsdeeltje hadden
ring in. Deze grote ring is 27 kilometer lang. Als je in
gevonden, is de versneller twee jaar dichtgegaan
de tunnel staat, dan zie je niet dat de tunnel met een
voor onderhoud. Nu staat de versneller weer aan
bocht loopt, maar voor de snelle deeltjes is de bocht
en gaat hij op vol vermogen draaien.
toch vrij scherp.
De deeltjes moeten de bocht wel maken. Dat doen ze omdat magneten ze de juiste kant op sturen. Dit zijn
magneten rondom de buis waar de deeltjes doorheen gaan. Deze magneten zijn 15 meter lang. Waarom zou
je een ring van 27 kilometer maken van allemaal magneten van 15 meter lang? Dan heb je toch allemaal
koppelstukken nodig, waarom maak je de magneten niet langer? “Omdat dit goedkoper is”, legt Ten Kate
uit. “Een magneet van 15 meter lang kun je vanuit de fabriek met een gewone vrachtwagen naar CERN brengen. Als je de magneten langer maakt, dan heb je speciaal vervoer nodig. En dat is duurder dan al die koppelstukken.”
Aangezien de tunnel iets krom loopt, moet de magneet dus ook iets krom lopen. Daar hebben ze iets handigs
voor bedacht, vertelt Ten Kate. “Tijdens het maken van de magneet moet op een gegeven moment het omhulsel vast worden gelast. Als iets gelast wordt, dan wordt het heel warm. Metaal wil dan nog wel eens
kromtrekken. Maar dat is nou ook precies wat er nodig is! Ze meten het lassen zo uit, dat de magneet precies zo krom trekt als hij moet zijn.”
Deeltjes versnellen
De truc van het versnellen van
een deeltje tot een hele hoge
snelheid, is door het in kleine
stapjes te doen. Bij nr. 1 gaan
de deeltjes de deeltjesversneller in. Iedere ring (2, 3 en 4)
versnelt het deeltje steeds een
stapje meer. In ring 4 heeft het
deeltje uiteindelijk de snelheid
waarmee het gaat botsen op
andere deeltjes.
Een deeltje kan ring 4 op twee
plekken verlaten. De ene helft
van de deeltjes gaat via de ene
uitgang (nr. 5), de andere nemen de andere weg (nr. 6). Op
die manier gaan de deeltjes in
tegengestelde richting de ring
in, en kunnen ze op elkaar
botsen. De grote ring is de Large Hadron Collider, oftewel de grote deeltjesbotser. Op vier plekken in deze
ring kunnen de deeltjes op elkaar botsen. Dat zijn de plekken waar de meetinstrumenten staan. Deze plekken heten ATLAS, ALICE, LHCb en CMS. De foto aan het begin van het artikel is van de detector van ATLAS.
Hoe weet je nou zeker dat er bij alle experimenten deeltjes op elkaar botsen? Door heel erg veel deeltjes te
laten botsen. Dat werkt een beetje hetzelfde als met een dobbelsteen: als je maar heel vaak een dobbelsteen gooit, dan gooi je ongeveer even vaak 1 als 5.
Koud
Als de magneten aan staan, worden ze heel erg warm. Als ze niet zouden worden afgekoeld, zouden ze smelten. Dit is een beetje hetzelfde als bij je computer. Daar zit ook een ventilator in die zorgt dat je computer
van binnen niet te warm wordt en stuk gaat. De versneller is veel groter dan een computer en heeft dus veel
meer koeling nodig. Om te zorgen dat er niets smelt, moet de versneller afgekoeld worden tot wel -271°
Celsius. Dit is maar iets boven het absolute nulpunt. Dat betekent dat het haast niet mogelijk is om iets nóg
verder af te koelen.
Hoe koel je een deeltjesversneller van 27 kilometer af tot iets boven het absolute nulpunt? Met vloeibaar
helium, wel 150 ton. Dat komt neer op zo’n miljoen liter. Dat klinkt heel veel, maar daar vul je nog geen half
olympisch zwembad mee.
Maar wat zijn die grote ronde dingen die je op de foto’s uit CERN vaak ziet, zoals op de eerste pagina? Dat
zijn de detectoren, de apparaten waarmee de onderzoekers kijken naar welke deeltjes ontstaan uit een botsing. Zo’n detector heeft een diameter van 22 meter. Dat komt overeen met een flatgebouw van 10 verdiepingen.
Nuttig? Ja!
Dat het ontdekken van nieuwe deeltjes niet iets is waar je in het dagelijks leven wat aan hebt, dat geeft wetenschapper Ten Kate meteen toe. “Je kunt prima je leven leiden zonder iets te weten over het Higgsdeeltje.
Maar je kunt ook prima verder leven zonder schilderijen van Van Gogh in een museum. Maar dat vinden we
ook belangrijk. Het hoeft niet allemaal nut te hebben voor ons dagelijks leven.”
Maar er zijn wel degelijk alledaagse toepassingen die eigenlijk bij CERN vandaan komen, vertelt Ten Kate.
“Neem MRIscanners. Daar kijken ze in ziekenhuizen mee of mensen kanker hebben. De techniek die in die
scanner zit, komt in feite voort uit de detectoren van CERN. Maar ook de techniek van het internet komt bij
ons vandaan. “Onderzoekers wilden elkaar niet alleen pakketjes met informatie op kunnen sturen, ze wilden
het ook kunnen ordenen.”
Is CERN dan niet heel rijk geworden? Nee, legt Ten Kate uit: “In CERN hebben we alleen de techniek bedacht.
Andere mensen zijn daar mee aan de slag gegaan en hebben dat ontwikkeld tot dingen als de MRIscanners
en het internet. CERN heeft daar nooit een euro aan verdiend.” Maar CERN is er ook niet om geld te verdienen. CERN is er om ons heelal te verklaren door kleine deeltjes op elkaar te laten botsen.