Reusachtige machines, kleine deeltjes

STEL u voor dat u duizenden malen de grens tussen Frankrijk en Zwitserland zou oversteken in slechts een paar seconden! ’Onmogelijk’, zegt u waarschijnlijk. Toch bestaat er een nieuw slag „grensbewoners” die dat met miljarden doen. Het zijn uiterst kleine deeltjes die voortjagen binnen een reusachtige metalen ring diep in de grond bij een Europees laboratorium niet ver van de internationale luchthaven van Genève (Zwitserland). Daar helpen enorme machines die deeltjesversnellers worden genoemd, de fysici op een terrein van onderzoek dat de mens al heel lang intrigeert: de geheimen van de materie en de wetten die het universum besturen.

Turend in het oneindig kleine

Duizenden jaren reeds heeft de mens ervan gedroomd de elementaire bestanddelen van de materie te ontdekken. In het begin van de twintigste eeuw ontdekten geleerden dat het atoom, dat men eens als allerkleinste fragmentje materie voor ondeelbaar had gehouden, bestaat uit elektronen die rond een kern cirkelen. Later werd ontdekt dat het delen voortgezet kan worden, en nu luidt één theorie dat alle materie in het universum bestaat uit slechts drie fundamentele bouwstenen: elektronen en twee soorten quarks, in wat verder een leegte is.

Als archeologen een oude muur vinden, analyseren zij niet alleen de stenen maar ook het cement dat is gebruikt om ze bijeen te houden. Op vergelijkbare wijze analyseren moderne fysici de krachten die tussen deeltjes werkzaam zijn. Onderzoekers leggen uit dat twee deeltjes gekoppeld kunnen zijn door het uitwisselen van een derde deeltje, ietwat vergelijkbaar met de manier waarop een bal tussen twee spelers heen en weer gaat. En net zoals er in verschillende spelen, zoals voetbal, basketbal, honkbal, verschillende soorten ballen worden gebruikt, zo heeft ook iedere kracht op dezelfde wijze zijn eigen krachtvoerende deeltje (of reeks deeltjes). Voor het bestuderen van deze twee soorten deeltjes (stenen en cement, spelers en ballen) moet men gebruik maken van versnellers.

Zonder versnellers zouden moderne fysici net zo hulpeloos zijn als botanici zonder een vergrootglas of astronomen zonder een telescoop. Faciliteiten waar de geleerden verscheidene onderling verbonden versnellers tot hun beschikking hebben, bevinden zich in CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica dat zich aan weerszijden van de Frans-Zwitserse grens uitstrekt. Misschien zullen wij beter begrijpen wat er in een van deze machines gebeurt als wij onszelf een biljard (miljoen maal miljard) keer kleiner maken! Nu kunnen wij onze zeer ongebruikelijke gids volgen.

Tochtje in de kern van een versneller

Goedendag, ik ben een van de miljarden protonen die u vergezellen op uw tocht in het SPS (super-protonsynchrotron), CERN’s grootste versneller op het moment. Probeert u ons alstublieft bij te houden, want wij zullen meer dan een miljoen kilometer afleggen in minder dan vijf seconden!

Voordat wij het eigenlijke SPS binnengaan, moeten wij een voorversnelling ondergaan in kleinere machines om alvast een snelheid van 99 procent van de snelheid van licht in vacuüm (300.000 kilometer per seconde) te bereiken. Deze lichtsnelheid zullen wij nooit kunnen overschrijden. Het SPS zal onze snelheid slechts met 0,4 procent verhogen. Anderzijds zal onze massa enorm toenemen, waarbij onze energie stijgt van 10 GeV naar 400 GeV,a en dat is wat de fysici graag willen. Het SPS is dus niet een versneller in de letterlijke zin van het woord maar lijkt meer op een slinger die met een constante snelheid wordt rondgedraaid maar waarvan de stenen tijdens die beweging steeds zwaarder worden.

Wij zijn nu de buis van het SPS binnengegaan. De hele ring, bijna zeven kilometer in omtrek, is ondergebracht in een ondergrondse tunnel van enkele meters breed waar, als de versneller niet in werking is, de technici fietsend alles kunnen langsgaan.

Zodra wij de buis binnenkomen, worden wij bij de hand genomen door 744 afbuigingsmagneten. Deze sterke elektromagneten houden ons op een ten naaste bij cirkelvormige baan. Anders zou de centrifugale kracht ons in de dikke muren doen belanden die de gevaarlijke straling absorberen die wij afgeven. Aangezien wij de neiging hebben ons iets te spreiden, moeten wij door een tweede systeem van 216 focusseringsmagneten tot een dichte smalle bundel worden samengedrukt. Dit zou men kunnen vergelijken met de lenzen van een vuurtoren die het licht concentreren tot een verreikende, smalle bundel.

Om onze tocht mogelijk te maken is er in de buis een zeer hoog vacuüm geproduceerd, waardoor de meeste deeltjes waartegen wij anders zouden botsen, verwijderd zijn. Bij elke omloop ontvangen wij een extra hoeveelheid energie in een 20 meter lang systeem van radiofrequente trilholten die in een lange rechte lijn staan opgesteld. De daar opgewekte radiomagnetische golf draagt iets van zijn energie aan ons over, ietwat lijkend op de manier waarop een binnenkomende oceaangolf snelheid geeft aan de surfer die zich erop laat voortbewegen.

Over iets meer dan een halve seconde zullen wij nu in groepjes van tien biljoen (miljoen maal miljoen) de versneller verlaten. Afgebogen van onze baan zullen wij dan een doelwit bombarderen dat een metalen plaat, een gas of een vloeistof kan zijn, afhankelijk van het soort experiment. Van de energie die in de botsing tussen de protonen en de deeltjes van het doelwit vrijkomt, zal een deel, gewoonlijk voor een heel kort moment, omgezet worden in materie. Dit is tegenovergesteld aan wat in een kernreactor gebeurt, waar materie in energie wordt omgezet. Krachtige computers gekoppeld aan ingewikkelde detectoren analyseren straks de deeltjes die in de botsing worden geproduceerd.

Voor mij is nu de tijd gekomen om afscheid te nemen. Maar als u nog een paar minuutjes hebt, staat u een nog opwindender experiment te wachten.

Botsende bundels

De zojuist van het toneel verdwenen protonen zijn inmiddels tegen een stilstaand doelwit geslagen. Veel van hun energie is daarbij echter verloren gegaan omdat ze is overgedragen aan de deeltjes van het doelwit die als ze getroffen worden een terugstoot ondergaan. Daarom komt uit protonen van 400 GeV die botsen tegen andere protonen van een stilstaand doelwit, slechts 28 GeV vrij voor het produceren van nieuwe deeltjes.

Onderzoekers hebben het probleem bekeken. Om de beschikbare nuttige energie te verhogen kwamen zij aandragen met het idee van botsende bundels. In het SPS wordt een bundel antiprotonen (deeltjes met dezelfde massa als protonen maar met een tegengestelde elektrische lading) tot een frontale botsing gebracht met een in omgekeerde richting draaiende bundel protonen. Wanneer een proton en een antiproton van 270 GeV botsen, komt bijna de gehele 540 GeV energie beschikbaar voor het produceren van veel zwaardere deeltjes.

Toen zij de problemen onder de knie hadden van het maken, verzamelen en versnellen van antiprotonen, konden de fysici van CERN in 1983 bewijzen verschaffen voor het bestaan van zeer instabiele deeltjes die W- en Z-bosonen genoemd werden. Zoals de meeste van de deeltjes die in versnellers tot bestaan gebracht worden, leven deze bosonen niet lang — minder dan een biljoenste van een biljoenste van een seconde — voordat ze in energie uiteenvallen of in andere deeltjes veranderen. Honderd keer zo zwaar als protonen zijn Z-bosonen de grootste deeltjes die tot dusver zijn ontdekt.

Steeds grotere machines

De jacht op nog meer zware nieuwe deeltjes is over de hele wereld aan de gang, en vooral dan krachtvoerende deeltjes (de ballen die wij in het begin van het artikel noemden). Als gevolg daarvan heeft men nog betere en nog krachtiger machines nodig. Daarom begon men in 1983 in CERN met de bouw van een nieuwe ring. Dit is de LEP, een machine met een omtrek van 27 kilometer waarin elektronen en positronen (de antimaterie tegenhangers van elektronen) versneld moeten worden. Deze nieuwe deeltjes-„kanonskogels” moeten de fysici een nieuw gereedschap in handen geven, een fijner ontleedmes als het ware, om de materie te ontraadselen.

’Maar wat is het nut van al deze machines?’ vraagt u misschien. Toegegeven, afgezien van een paar kleinere versnellers die in ziekenhuizen gebruikt worden om deeltjes te produceren waarmee men kankercellen vernietigt of die men als radioactieve tracers gebruikt, lijken verder de technische nevenresultaten gering. Fysici willen echter nog steeds heel graag een beter antwoord vinden op de vraag: Wat is materie? En daarom zullen zij blijven turen in de wereld van het oneindig kleine, en daar paradoxaal steeds grotere reusachtige versnellers bij gebruiken.

[Voetnoten]

[Kader op blz. 25]

Wat zijn het?

Elektronen: Deeltjes met een negatieve elektrische lading van gelijke grootte als die van het proton en een massa die bijna 2000 keer zo klein is. Een elektron beweegt rond de kern van een atoom, waarbij het aantal elektronen overeenkomt met het aantal protonen.

Protonen: Deeltjes met een positieve elektrische lading gelijk aan die van het elektron. Een bestanddeel van de kern van ieder atoom. De kern van waterstof heeft één proton.

Neutronen: Deeltjes met bijna dezelfde massa als het proton maar zonder elektrische lading. Het andere bestanddeel van de kern van alle atomen behalve waterstof.

Quarks: Deeltjes die naar men gelooft de basisbestanddelen van protonen en neutronen zijn. Quarks komen niet afzonderlijk voor maar altijd in combinatie met andere quarks. Elk heeft een elektrische lading, een derde of twee derde van de elektrische lading van het elektron.

Bosonen: Deeltjes die krachten tussen andere subatomaire deeltjes overdragen. Een boson dat het ene deeltje verlaat, wordt geabsorbeerd door een andere.

Energie verandert in materie

Snelheid draagt energie over: Een tennisbal die op uw voet valt, zal u geen pijn doen. Maar als de tennisbal snelheid heeft en u op uw neus treft, kan dat lelijk aankomen. Waarom? Omdat snelheid de bal energie gaf en deze energie bij het treffen vrijkwam. Hierin ligt het belangrijkste doel van een versneller: een hoge energie aan deeltjes te verlenen door ze tot hoge snelheden te versnellen.

Geconcentreerde energie wordt materie: De transformatie van energie in materie is geen kwestie van hoeveelheid maar van concentratie. Als u voldoende hoog-energetische snelle deeltjes in een klein volume hebt geconcentreerd, kunnen ze nieuwe deeltjes (of materie) produceren door met het een of andere object of met elkaar te botsen.

Materie, ja, maar in heel kleine hoeveelheden: De energie opslokkende versnellers produceren niet veel materie. Volgens een officiële publikatie van CERN ’is er in 25 jaar van experimenten niet meer dan een milligram materie geproduceerd’.

[Kader op blz. 26]

Recept om een koe te maken

„Een koe maken is niet zo ingewikkeld. U hebt gewoon een grote hoeveelheid basisbestanddelen nodig — u- en d-quarks en elektronen. Maak om te beginnen uw protonen. U hebt twee u-quarks en één d-quark nodig; maak dan wat neutronen, met één u-quark en twee d-quarks. Nu gaat u uw atomen samenstellen. Voor een koe hebt u hoofdzakelijk koolstof-, zuurstof-, waterstof- en stikstofatomen nodig . . . Het recept voor een waterstofatoom is heel eenvoudig: een proton met een elektron dat eromheen cirkelt. Koolstof is iets ingewikkelder . . .

Nu moeten de atomen worden samengevoegd tot moleculen. Water is gemakkelijk te maken. Meng één zuurstof- en twee waterstofatomen. Maar voor andere moleculen zijn honderden of zelfs duizenden atomen vereist. Het laatste stadium is dat u deze atomen gebruikt om er tientallen miljarden levende cellen van te bouwen, en die dan zorgvuldig samenvoegt tot een koe.

Dit is het recept dat CERN verschaft. Het is volledig nauwkeurig als u de tijdfactor en de mysterieuze blauwdruk in aanmerking neemt die als produkt de koe hebben opgeleverd.” — L’Express, Frans weekblad.

Maar wie zou zo’n „mysterieuze blauwdruk” hebben kunnen opstellen? Alleen een uitermate intelligent Wezen, Degene die de bijbel identificeert als de Schepper, Jehovah God. — Psalm 104:24.

[Diagram/Illustraties op blz. 24]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

LEP

SPS

site Prévessin

site Meyrin

FRANCE

SUISSE

[Verantwoording]

CERN photos, Geneva