Kosmische regen op Groningen

Kosmische regen op Groningen
Wat is de samenstelling van de kosmische straling: protonen, zware kernen, neutrino’s?
Waar komen deze deeltjes met extreem hoge energie vandaan?
Kunnen we met behulp van de kosmische straling informatie vergaren over “donkere materie”, het grootste deel van
de materie in het helaal? Daarom doet het KVI onderzoek aan kosmische straling door middel van:
Detectie van radiostraling
afkomstig van de kosmische
regen boven de Pampa’s in
Argentinië.
.
Detectie van neutrino’s in de
diepte van de Middellandse
Zee door en reeks van
lichtgevoelige fotobuizen.
Met behulp van deeltjesversnellers krijgen we inzicht in de opbouw van
atoomkernen en de krachten, die bouwstenen van atoomkernen samenbinden.
GSI Darmstadt
KVI Groningen
Detectie van radiostraling die
ontstaat door botsingen van
neutrino’s op de maan.
Samengevoegd verraden deze en vele andere onderzoeksmethoden een spannend geheim:
De ontwikkeling van het helaal
in het licht van de kern-, deeltjes- en astrofysica.
Gebaseerd op: “Reise zum Urknall”, redactie dr. K.D. Gross, dr. I. Peters, GSI Darmstadt;
Nederlandse versie: prof.dr. H. Löhner, KVI, Rijksuniversiteit Groningen ([email protected]).
1
Reis naar de oerknal
Van licht en deeltjes tot materie en leven
Volgens de actuele stand van wetenschappelijk onderzoek begon 14 miljard jaar geleden –
we weten niet waarom – het heelal explosief uit te dijen.
In deze oertijd waren er onvoorstelbaar hoge temperaturen en dichtheden. Alle materie was
– verdeeld in de meest elementaire bouwstenen – verenigd in een hete kosmische oersoep.
Sindsdien dijt het heelal onophoudelijk uit en koelt het steeds verder af. In een dramatisch
samenspel van schepping en vernietiging ontstonden atomen, sterren en planeten – en het leven.
Vandaag
14 miljard jaar na de oerknal
Als enige onder de aardbewoners doet de mens pogingen
om zijn ontstaan te doorgronden en de ontstaansgeschiedenis van het heelal te ontrafelen. De moderne
natuurwetenschap kan misschien een deel van onze
vragen beantwoorden: de astronomie met waarnemingen
van kosmische objecten en gebeurtenissen, de atoom-,
kern- en deeltjesfysica met onderzoek aan de meest
fundamentele bouwstenen van de materie en hun
wisselwerkingen.
De aarde - onze blauwe planeet – is thuis van talloze
planten, dieren en van de mens. Wetenschap en
techniek maken deel uit van de verworvenheden
van de mens.
2
Vingerafdrukken van de oerknal
Ontvluchtende melkwegstelsels
De eerste experimentele aanwijzingen voor de oerknal-theorie kwamen
in de jaren twintig van de afgelopen eeuw vanuit de astronomie. De
astrofysici constateerden, dat op grote afstand liggende
melkwegstelsels zich van ons – en ook van andere melkwegstelsels –
verwijderen. Deze beweging is sneller naar mate de afstand groter
wordt.
Deze waarneming kan men alleen verklaren door aan te nemen dat het
heelal uitdijt. Andersom betekent deze universele expansie ook, dat
het heelal lang geleden veel kleiner geweest is dan vandaag, en dat
het explosief vanuit één punt moet zijn ontstaan – de oerknal.
Hoe snel twee melkwegstelsels zich in het heelal van elkaar
verwijderen wordt uitgedrukt door de zogenaamde Hubble constante
H0 ~ 72 km/(s Mpc).
Dit betekent een snelheid van 72 km/s op een afstand van 1Mpc en dat
is 3·1019 km. Met behulp van dit getal en een theorie van het verloop
van de expansie kan men het begin van het heelal berekenen:
ongeveer 14 miljard jaar geleden.
Waterstof, helium en lithium in het heelal
Een andere experimentele aanwijzing voor de oerknaltheorie wordt
gegeven door de meting van de hoeveelheden waterstof (H) en helium-4
(4He), maar ook aan andere lichte kernen zoals deuterium (2H of D),
helium-3 (3He) en lithium-7 (7Li) in het heelal. Deze kernen konden alleen
in het vroege stadium van het heelal gemaakt worden, toen de
bouwstenen van kernen – de protonen (rood) en neutronen (blauw) – bij
hoge dichtheid aanwezig waren.
Waterstof is met een massafractie van bijna 75% het meest voorkomende
element in het heelal, opgevolgd door helium-4 met een massafractie van
ongeveer 25%. De overige lichte kernen, deuterium, helium-3 en lithium7, komen veel minder voor.
De gemeten massafracties van de lichte kernen kunnen alleen (én
correct!) door de oerknaltheorie sluitend verklaard worden. Verder kunnen
de fysici zelfs een schatting geven van de totale massa van het heelal en
daarmee voorspellingen maken voor de toekomstige ontwikkeling van het
heelal.
3
De 3-Kelvin achtergrondstraling
Volgens de theorie van de oerknal was het heelal in het begin zeer heet en gevuld met
energierijke warmtestraling met
extreem korte golflengte.
Daarna begon het heelal uit te dijen en af te koelen.
Naarmate de expansie vorderde, werd de golflengte van de straling steeds groter.
Sommige fysici hebben daarom voorspeld dat de oorspronkelijke intensieve warmtestraling ook vandaag de dag
nog meetbaar zou moeten zijn: als straling van microgolven die gelijkmatig de ruimte vult en correspondeert met
een temperatuur van het heelal van 3 K. Deze zogenaamde
3-K achtergrondstraling werd in de jaren 60 van de vorige
eeuw daadwerkelijk gemeten.
Voor hun ontdekking van het "Echo van de Oerknal" ontvingen
John Mather en George Smoot de Nobelprijs voor natuurkunde
in 2006.
De 3-K achtergrondstraling werd zeer nauwkeurig gemeten met
de satelliet WMAP. De variaties in intensiteit (rood en blauw)
zijn minder dan 0.1 %. Dit bevestigt de voorspelde extreme
homogeniteit van de achtergrondstraling.
De chemische elementen ontstaan
Van een miljard jaar na de oerknal tot aan vandaag
De chemische elementen zijn de bouwstenen van alle stoffen en de basis voor
de ontwikkeling van
het leven.
Hoe is dit grote aantal elementen tot
stand gekomen?
Welke
processen
speelden daarbij een
rol?
De synthese van elementen begon ongeveer een miljard jaar
na de oerknal, nadat
uit geweldige wolken
van waterstof de
eerste sterren en melkwegstelsels waren gevormd. De vrijkomende gravitatie-energie kon de sterrenmaterie
zodanig verhitten, dat het fusieproces van waterstof naar helium op gang kwam. Sindsdien gaat de synthese van
elementen door via complexe kernreacties in het binnenste van sterren.
4
Met kernfusie tot aan ijzer
Synthese van elementen in het binnenste van sterren
Onze zon is een middelgrote ster zoals ontelbare andere in het heelal.
In het binnenste van de zon ontstaat helium door het fusieproces van waterstof.
protonen: rood
neutronen: blauw
De daarbij vrijkomende energie geeft ons warmte en licht en is daarmee een noodzakelijke voorwaarde voor ons
leven. Op aarde in de fusiereactor ITER probeert men dit proces na te bootsen om zo energie op te wekken. De
atoomfysica groep van het KVI draagt bij aan dit onderzoek. De sterren geven ons ook de bouwstenen voor het
leven – de chemische elementen. Door fusiereacties van kleinere tot steeds grotere kernen kunnen ten slotte in het
binnenste van sterren alle elementen tot aan ijzer gevormd worden. Voor kernen zwaarder dan ijzer werkt het
fusieproces niet meer omdat dan energie toegevoegd moet worden om zwaardere elementen te maken.
De synthese van elementen tot aan ijzer vindt alleen volledig plaats in zeer zware sterren, zwaarder dan een aantal
keer de massa van de zon. Onze zon, een middelgrote ster, zal door kernfusie slechts kernen met massa´s lichter
dan koolstof en zuurstof produceren, zo heeft men berekend.
Via omwegen naar uranium
Synthese van elementen in rode reuzen en supernova-explosies
De elementen zwaarder dan ijzer ontstaan aan het einde van het leven van grote sterren, in de zogenaamde rode
reuzen, of in geweldige supernova-explosies. Voorwaarde voor de vorming van zware elementen is de aanwezigheid van vrije neutronen. Deze komen vrij bij
kernreacties in het binnenste van rode reuzen en –
in nog veel grotere hoeveelheden – bij supernovaexplosies. Deze neutronen voegen zich bij de al
aanwezige lichte kernen. Op deze manier ontstaan
neutronenrijke radioactieve kernen die via β-verval,
dat wil zeggen, door verandering van een neutron
in een proton, overgaan naar het eerstvolgende
zwaardere element. Door veelvuldige herhaling van
zulke processen kunnen alle elementen tot aan
uranium gevormd worden.
De isotopenkaart toont ca. 250 stabiele elementen
(zwarte blokjes) en de mogelijke paden van
elementvorming: de omweg via radioactieve kernen
leidt tot de stabiele zware elementen.
In het NUSTAR experiment bij GSI onderzoeken
medewerkers van het KVI de eigenschappen van
kunstmatig geproduceerde radioactieve kernen.
5
Natuurlijke radioactiviteit
Relict van de synthese van elementen
Alle stoffen op aarde bevatten een kleine hoeveelheid radioactieve
atoomkernen. Een deel van deze natuurlijke radioactiviteit wordt
veroorzaakt door botsingen van kosmische straling met moleculen in de
atmosfeer. Een voorbeeld is koolstof-14 (14C), dat veel wordt gebruikt voor
de bepaling van de ouderdom (datering) in de archeologie en het
klimaatonderzoek.
Radioactiviteit betekent dat een atoomkern, samengesteld uit protonen
(rood) en neutronen (blauw), spontaan vervalt en daarbij deeltjes uitzendt.
Er bestaan vier soorten radioactief verval:
α-verval, γ-verval, en daarnaast nog β- (β+)-verval, veroorzaakt door de
“zwakke wisselwerking”, en spontane splijting, waarbij een atoomkern
vervalt in twee ongeveer even grote fragmenten.
Natuurlijke radioactiviteit is een restant van kernreacties in het binnenste
van sterren, die miljoenen jaren geleden tot het ontstaan van de elementen
leidden. Destijds ontstond een groot aantal radioactieve elementen
waarvan de meeste al zijn vervallen. Slechts enkele radioactieve kernen,
zoals b.v. Kalium-40 (40K), Thorium-232 (232Th), en Uranium-238 (238U), zijn
ook vandaag nog meetbaar in natuurlijke materialen.
Het eerste waterstofatoom:
300.000 jaar na de oerknal
De vorming van neutrale waterstofatomen uit
vrije protonen en elektronen is een belangrijke
mijlpaal in de geschiedenis van het heelal. Dit
gebeurde ongeveer 300.000 jaren na de oerknal.
Het heelal was op dat moment duizend keer
kleiner en de temperatuur was duizend keer
hoger dan vandaag.
Eerst was er materie in de vorm van een plasma,
bestaande uit protonen, enkele lichte atoomkernen
en elektronen.
Pas toen de temperatuur beneden de 3000 K
zakte, werden protonen en elektronen niet
meer door de warmtebeweging gehinderd
om zich tot waterstofatomen te verbinden.
6
De bouwstenen van kernen ontstaan
een duizendste seconde na de oerknal
Ongeveer een duizendste seconde na de oerknal ontstonden de bouwstenen van atoomkernen: protonen en
neutronen. Voorheen was het heelal zo heet en dicht dat de materie alleen in de vorm van een oersoep,
samengesteld uit quarks, gluonen en andere
elementaire deeltjes, kon bestaan – het zogenaamde quark-gluon plasma.
Sindsdien kunnen quarks en gluonen niet meer als
vrije deeltjes bestaan: altijd komen ze samen met
andere deeltjes voor, in verschillende combinaties.
Waarom dit zo is en welke krachten quarks en
gluonen opsluiten, wordt o.a. in het PANDA
experiment bij GSI onder medewerking van het KVI
onderzocht.
Protonen en neutronen bestaan ieder uit drie
quarks, door gluonen bij elkaar gehouden. Toen
eenmaal protonen en neutronen gevormd waren,
waren de eerste drie minuten van het heelal
voldoende om de lichte kernen waterstof,
deuterium, helium en lithium te laten ontstaan. Pas
veel later – na ongeveer een miljard jaar – begon
de vorming van zware elementen in sterren.
Op zoek naar het quark-gluonplasma
in het laboratorium
In langdurige experimenten, opgestart in 1986, is het in het Europees onderzoeksinstituut voor kernfysica CERN in
Genève en kort daarna met de RHIC versneller in Brookhaven (VS) gelukt de oersoep van het vroege heelal
kunstmatig te produceren. Wetenschappers vanuit Nederland en het KVI waren van meet af aan bij dit onderzoek
betrokken.
Het principe van de experimenten: een grote versneller laat zware kernen, van lood bijvoorbeeld, met bijna de
lichtsnelheid botsen (links) op andere zware kernen. In de botsingszone ontstaat voor een heel korte tijd een hete
vuurbal (midden) van geconcentreerde energie waarin het quark-gluonplasma (rechts) zich kan vormen.
Met de waarneming van het quark-gluonplasma is het de wetenschappers gelukt de geschiedenis van het heelal tot
op minder dan een duizendste seconde na de oerknal terug te draaien. Bij de LHC-versneller van CERN in Genève
kunnen de eigenschappen van de kosmische oersoep tot in detail onderzocht worden.
7
De kosmische inhoud:
Materie en antimaterie annihileren
Ongeveer een miljoenste seconde na de oerknal
annihileerden materie en antimaterie bij een temperatuur van
1013 K in een als het ware vernietigend gevecht tot energie,
dat wil zeggen tot fotonen. Daarbij leidde een kleine
asymmetrie in de anders door symmetrie gekenmerkte wetten
der natuur tot een minuscuul overschot van materie- over
antimateriedeeltjes. Dit overschot overleefde het vernietigend
gevecht en er resteerde een verhouding van 1 materiedeeltje op 1 miljard fotonen.
Op het KVI wordt in het kader van het TRIµP project de
schending van fundamentele symmetrieën onderzocht.
De fundamentele bouwstenen
Bijna alle bekende materie in het heelal bestaat uit vier
fundamentele bouwstenen:
• up-quark en
• down-quarks: Deze vormen de protonen en neutronen en daarmee de
atoomkernen.
• Elektronen: zij vormen de schillen van atomen.
• Elektron-neutrino´s: Deze spookachtige en moeilijk aantoonbare deeltjes
vullen in grote getallen de gehele kosmos.
Dit is de zogenaamde eerste generatie van deeltjes. Tot aan 10-12 seconden
na de oerknal was er een nog grotere veelvoud met drie deeltjesgeneraties
en in totaal twaalf deeltjes. Tot vandaag is het een raadsel waarom er
precies twaalf paren van deeltjes en antideeltjes bestaan.
Naast de deeltjes en antideeltjes bestaan er ook uitwisseldeeltjes, die de
wisselwerkingen tussen de bouwstenen veroorzaken. Bovendien voorspellen de fysici ook het Higgs-deeltje, dat verantwoordelijk zou zijn voor de
massa van deeltjes en antideeltjes.
De toekomst van het heelal: uitdijen of ineenstorten?
Om uitsluitsel te krijgen over de
toekomst van het helaal, proberen
wetenschappers uit te zoeken, hoeveel
massa in het heelal aanwezig is – want
de totale massa bepaalt tenslotte de
sterkte van de gravitatiekracht. Daarbij
heeft men gevonden dat in melkwegstelsels naast de voor ons zichtbare
materie nog een grote hoeveelheid
onzichtbare materie, de “donkere materie”, aanwezig moet zijn. Kandidaten
voor deze donkere materie zijn – zoals
we nu weten – onder meer massieve
neutrino’s, SUperSYmmetrische en
zwak wisselwerkende massieve deeltjes, de zogenaamde WIMP’s. Verder
zijn er sterke aanwijzingen dat de uitdijing van helaal gedreven wordt door “donkere energie” waarvan de oorsprong
nog onbekend is. Deze donkere energie zal ten slotte het lot van het heelal bepalen.
8