Hoofdstuk 6. Energie en impuls

Bij proeven met dergelijke versnellers kwam het bestaan van nog veel meer tot dan toe onbekende deeltjes aan het licht. Het eenvoudige beeld dat alle materie bestaat uit protonen, neutronen en elektronen moest verlaten worden. Probleem was dat het aantal 'elementaire' deeltjes zo enorm groot was, dat men zich niet kon voorstellen dat deze echt elementair waren. De zoektocht naar deeltjes die zich nog een laag dieper bevonden, was begonnen.

Uit botsingsproeven bij zeer hoge energie bleek dat bijvoorbeeld in protonen drie harde 'pitten' aanwezig zijn. Men noemde die quarks. Twee identieke, 'up' genoemd en één andere, 'down'. Ook neutronen bleken opgebouwd uit drie quarks, 1x up en 2x down.

Het bleek mogelijk alle bekende samengestelde deeltjes op te bouwen uit 6 elementaire deeltjes: 6 quarks die in drie families gerangschikt worden, elk met hun eigen type niet-samengestelde deeltjes als elektronen en neutrino's. Daarbuiten bestaat nog een stel deeltjes die geacht worden dragers te zijn van alle bekende krachtwerkingen. Het bekendst daarvan zijn het foton, de drager van de elektromagnetische kracht en het graviton, overbrenger van de gravitatiekracht. Het graviton overigens is nog niet aangetoond. Het systeem waarin al deze deeltjes en de krachten ertussen met grote precisie beschreven worden heet het Standaardmodel.

De manier waarop het standaardmodel werd ingevuld met de resultaten van de experimenten, leek erg op wat zich een eeuw eerder had afgespeeld bij het Periodiek Systeem van Mendelejew: uit behaalde resultaten werd een schema opgebouwd, dat gaten bleek te bevatten. Door analogieën kon men voorspellingen doen over de eigenschappen van de deeltjes die de gaten moesten opvullen, hetgeen het zoeken daarnaar zeer vergemakkelijkte.

Nu is men zover dat alle deeltjes uit het Standaardmodel aangetoond zijn, inclusief het Higgsdeeltje, ontdekt bij CERN in 2012. Daarvoor ontvingen in 2013 de Belgische natuurkundige François Englert (80) en de Schotse natuurkundige Peter Higgs (84) de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Alle materiedeeltjes lijken zeer sterk op elkaar, als je kijkt naar lading, spin (zoiets als draaiing rond de as) en andere fundamentele eigenschappen, maar deeltjes verschillen enorm in massa. Ruim 40 jaar geleden ontstond het idee dat dit veroorzaakt werd door een, toen nog hypothetisch deeltje, bedacht door de natuurkundige Peter Higgs in 1960.

Dit deeltje zou ruimtetijd beïnvloeden en een Higgsveld creëren, en alle materiedeeltjes zouden daaraan sterker of zwakker gekoppeld zijn. De zwak gekoppelde deeltjes bewegen gemakkelijker door het Higgsveld, en zijn dan deeltjes die een kleine traagheid (massa) hebben; de deeltjes die sterker koppelen hebben grotere traagheid. Ook zijn er deeltjes die niet koppelen; deze zijn massaloos, zoals het foton en het graviton, en bewegen daardoor altijd met de lichtsnelheid. Op deze manier is te begrijpen waarom deeltjes zo sterk uiteenlopende massa's kunnen hebben.

Van het Higgsdeeltje konden een heel stel eigenschappen voorspeld worden, hetgeen het mogelijk maakt gericht ernaar te zoeken. Deze zoektocht was op twee plaatsen aan de gang: in het Fermilab in de VS, waar men het deeltje alleen kon vinden als het niet te zwaar zou zijn, en bij CERN, waar men het deeltje met een zwaarte van 125 GeV uiteindelijk heeft gevonden in 2012. Bij CERN is mede voor dit doel een nieuwe deeltjesversneller gebouwd, de Large Hadron Collider (LHC), die in 2009 operationeel is geworden. De LHC is een 27 kilometer lange cirkelvormige versneller, waarin de versnelling tot stand gebracht wordt door zo'n 1300 supergeleidende magneten. De energieën waarbij de botsingen plaatsvinden is 10 TeV, d.w.z. het equivalent van 10.000 protonmassa's. Dat zijn de hoogste energieën die ooit in een versneller gerealiseerd zijn.

Door de energie van de botsende bundels op te voeren heeft men het zeer zware Higgsdeeltje kunnen produceren. Hierbij is het opsporen van zo'n deeltje in de lawine aan deeltjes die bij elke botsing ontstaat terwijl er ook een gigantisch aantal botsingen per seconde optreden een grote uitdaging op het gebied van data analyse.

De opsporing gebeurde met behulp van ATLAS, een speciaal ontworpen detector, waaraan ook Nederlandse natuurkundigen een bijdrage leveren.

De detector heeft de grootte van een fabriek: 25 m hoog, en is in staat de baan van deeltjes met een nauwkeurigheid van 1/1000 cm te volgen. Het is een apparaat dat de grens van het technisch kunnen verschuift: het bevat meer transistors dan er in de Melkweg aan sterren zijn, moet per seconde een miljard botsingen analyseren (een gegevens stroom die even groot is als wanneer elk mens op aarde 20 telefoongesprekken tegelijkertijd voert). Van die miljard botsingen per seconde produceren ongeveer 50 nieuwe verschijnselen en de kans dat daar een Higgsdeeltje bij zat is weer 1 op miljoen. Omgerekend komt dit neer op de productie van één Higgsdeeltje per dag en het was de taak van de 2800 fysici en technici die betrokken zijn bij het ATLAS experiment om dit unieke voorval uit het kolossaal aantal gegevens te filteren.

Atlas kent drie detectielagen, die van binnen naar buiten lopen. In de binnenste worden de posities van elektrisch geladen deeltjes nauwkeurig vastgelegd, waardoor computers in staat zijn de gevolgde banen te berekenen. Men laat daartoe de (geladen) deeltjes een sterk magneetveld doorlopen; de baankromming is afhankelijk van hun impuls. Het magneetveld wordt opgewekt in supergeleidende spoelen met stroomsterktes van 20.000 A. In het middelste deel wordt de energie van de deeltjes gemeten, door ze energie over te laten dragen aan het materiaal van deze calorimeters. Het Higgsdeeltje is instabiel en vervalt, waarbij hoogstwaarschijnlijk muonen gevormd worden. Bij de interactie van zware deeltjes met de calorimeters ontstaan o.a. muonen die in de buitenste laag gedetecteerd worden.

Het onderzoek naar de fundamenten van de materie heeft de afgelopen 100 jaar resultaten opgeleverd die de wereld veranderd hebben. Van röntgenstraling en radiotherapie via annihilatie van materie in PET-scanners in ziekenhuizen tot de oplossing van het probleem te communiceren met al die wetenschappers en technici werkzaam bij het CERN: het ontstaan van het World Wide Web. Ook nu dient zich weer een volgende stap aan: het ontstaan van het Grid (het netwerk), waarbij vergeleken het www nog slechts een voorzichtige start is. Wordt het www gebruikt om informatie uit te wisselen, het Grid wordt gebruikt om rekenkracht en dataopslag te bundelen. Bij CERN zou zonder gebruik te maken van het Grid wel 100duizend pc's moeten opgesteld om de stroom aan gegevens te beheren en door te rekenen.

Is dit onderdeel van de natuurkunde 'af' nu het Higgsdeeltje gevonden is? Er is een probleem dat het Standaardmodel niet aan kan: het graviton en daarmee de gravitatiekracht laat zich er niet mee beschrijven. Theoretici werken daarom al een tijd aan een nog fundamenteler model: de snarentheorie, waarbinnen wel een plaats is voor alle deeltjes. Deze theorie is echter onbewezen en de fysici studeren nog op mogelijke experimenten - via botsingsproeven als boven beschreven het bestaan van snaren aantonen vereist een versneller die zo groot is dat die niet eens in ons zonnestelsel past.