Welkom op deze toer door de permanente tentoonstelling van CERN, Microcosmos. Het geeft ons een beeld van het verleden, het heden en de toekomst van de fysica van de elementaire deeltjes. Cern is het belangrijkste Europese onderzoekscentrum ter zake. 20 landen steken geld in dit project, ongeveer 7000 mensen werken hier op het hoogste niveau. We zullen trachten je daarvan te overtuigen!
Al van bij de inkom wordt duidelijk dat het oneindig grote in direct verband staat met het oneindig kleine: de Oerknal, ook wel Big Bang genoemd, vond ongeveer 15 miljard jaar geleden plaats. De verschrikkelijk hoge energiedichtheid die toen heerste met de tijd meer en meer verspreid over een steeds groter volume. De temperatuur daalde. Maar die eerste fracties van een seconde waren beslissend voor het verdere verloop van ons heelal.
Kijk je nauwkeurig, op dit beeld dan zie je dat op een bepaald moment massa ontstond, in plaats van pure straling:
deze mijnheer, Einstein, geeft in deze formule aan dat dit kan. Maar waarom en hoe gebeurde deze condensatie van de energie? Er ontstonden heel veel verschillende deeltjes, maar enkel elektronen protonen en neutronen overleefden langere tijd, de anderen ontstonden en vergingen veel sneller. Waarom bestaan die andere deeltjes niet langer? In ieder geval, protonen en elektronen konden, van zodra ze traag genoeg bewogen, dus bij voldoende lage temperatuur, waterstofatomen vormen. De gravitatiekracht trekt die massa’s naar elkaar toe, waarbij ze soms zo hevig botsten dat nieuwe, zwaardere atoomsoorten ontstonden. Maar ook grotere structuren, sterren, later planeten en melkwegstelsels, en zelfs clusters van melkwegstelsels.
Bij zeer lage temperaturen konden die atoomsoorten nieuwe bindingen aangaan om moleculen te vormen, maar dan zijn we al op het terrein van de chemie en de biologie.
Laten we nu, als laatste woordje van deze inleiding, ons even expliciet op energie concentreren, en werken met getallen. De eenheid die we gebruiken is de eV, ongeveer 1,6 10-19 J. Dat is zo weinig dat je 26 miljard miljard eV nodig hebt om 1 druppel water 1 graad Celsius op te warmen. Het is dus duidelijk een maat waarmee je op atomaire schaal moet werken. Op deze as zetten we de energie even uit. Een molecule bij kamertemperatuur heeft een bewegingsenergie van slechts 25 meV. Om een elektron van haar moederkern te scheiden moet je enkele eV energie toevoegen. Om een kern te splijten is enkele MeV nodig; dit gebeurt in kerncentrales. Om nieuwe massadeeltjes te maken moet je zorgen dat deeltjes met een energie van enkele GeV op elkaar botsen. Zoals je ziet zijn we teruggegaan in de tijd, teruggegaan naar het begin van ons heelal, en zijn we dit begin genaderd tot op enkele microseconden. Dit is het energiegebied waar Cern actief is. Men zoekt hier naar de wetten in de fysica die eens, 15 miljard jaar geleden, de gebeurtenissen stuurde.
In 1932 ontdekte men pas experimenteel dat er neutronen in de atoomkernen zaten. Later in de jaren 1930 stelde men vast dat in de dampkring nog vreemde deeltjes rondspookten, hoe hoger in de dampkring, hoe meer! Al gauw stelde men vast dat zeer snelle protonen, die uit de intergalactische kosmos afkomstig waren, een lawine van botsingen, en een lawine van totaal onbekende, kortlevende deeltjes deden ontstaan.
Geleerden geraakten gefascineerd door die geladen deeltjes, die op hoogspanningsdraden werkelijk vonken kunnen veroorzaken.
Daarom stelde men voor speciale proefopstellingen te bouwen om die verschijnselen in gecontroleerde omstandigheden na te bootsen. CERN was geboren. Het eerste wat men deed was lineaire deeltjesversnellers bouwen, zoals dit eerder rudimentaire exemplaar.
Daarna kwam de Linac 1. Hierin werden protonen met een beginenergie van 17 keV, uit deze op condensatoren gebaseerde versnellers gehaald, in een trek versneld tot 2 MeV.
Men gebruikte daarvoor elektrische velden tussen deze koperen afschermbuizen, die de deeltjes verschillende duwtjes geven. Magneetvelden stuurden de bundel dan naar een botsingsplaats. Al van bij de eerste proeven merkte men dat nog veel meer soorten deeltjes ontstonden. Deze deeltjes leefden echter over het algemeen slechts enkele microseconden. In plaats van iets op te lossen, hadden de lineaire versnellers het mysterie alleen maar vergroot.
De jacht naar nog meer, nog zeldzamer en nog korter levende deeltjes was open. Hogere energieÎn waren gewenst: cirkelvormige versnellers waren de oplossing, eerst klein, zoals deze,
Daarna steeds grotere voor proton energieÎn tot 100 MeV, de PS, later de SPS, tot 1GeV,
Op dit moment ligt de grootste versneller in een tunnel van 27 km, 100 m onder het aardoppervlak. Dit is de LEP. Er worden elektronen versneld, en men spreekt over energieÎn tot meer dan 50 GeV. Het grootste probleem is niet langer het versnellen, dat lukt aardig, maar wel beletten dat ze rechtdoor vliegen, uit de bocht. Magneten kunnen krachten op deeltjes uitoefenen, dat gebeurt voortdurend in een televisietoestel.
Magneten moeten dus voortdurend een kracht naar binnen uitoefenen, hoe sneller en hoe zwaarder het deeltje, hoe groter de magnetische kracht. Hoe sterker je de magneten wil maken, hoe sterker de stroomsterkte moet zijn. Dit wekt hitte op en vraagt veel te veel energie. Dus heeft men supergeleidende magneten gemaakt, waardoor de deeltjes nog sneller kunnen ronddraaien: de LEP2 maximum 100 GeV energie.
Tegen 2005 gaat men nu in dezelfde tunnel protonen ronddraaien, dus 2000 maal zwaardere deeltjes, dit aan een ritme van 11000 keer heel de tunnelomtrek per seconde. Zo zet men een volgende stap: de energie springt ineens naar meer dan 10000 GeV. Men stuurt 2800 pakketten protonen tegelijkertijd rond. De protonen zullen de lichtsnelheid van 300000 km/s benaderen tot op 0,003 km/s. Dit is het LHC project. Bij zo’n energieÎn waren er nog geen massa’s zoals wij die kennen. Gravitatie bestond dan ook nog niet in de huidige vorm; ook de andere wisselwerkingen tussen deeltjes ( de elektromagnetische en de zwakke wisselwerking bij radioactieve vervalprocessen) uitten zich volgens theoretici slechts in 1 vorm van interactie, die bij lagere energiewaarden verschillende verschijningsvormen gekregen moet hebben. Men is nu op zoek naar die ene vorm, en de LHC zal ongetwijfeld een tipje van de sluier oplichten.
Je hebt ondertussen al begrepen dat alles draait rond het organiseren van botsingen. Uit de restanten van die botsingen, de deeltjes zelf, de snelheid en de energie ervan tracht men allerlei wetten te vinden: naast de behoudswet voor energie, die jullie kennen, behoud van moment, lading, spin, isospin,… Men heeft ondertussen ontdekt dat er nog grootheden zijn die bijna altijd behouden blijven. De gemakkelijkste manier om dit soort deeltjes te bestuderen is met een bellenvat. Een reusachtige cilinder, met een zuiger, gevuld met vloeibaar waterstof. Geladen deeltjes laten in dit vat een spoor van minuscule belletjes achter. De afstand tussen de bellen geeft al een idee van de snelheid. Men zet dan het geheel ook nog eens in een magnetisch veld. Dit doet de deeltjes afbuigen. De kromming geeft info over de massa en de snelheid. De vorm van de combinatie van banen laat, voor de ervaren onderzoeker toe vast te stellen om welke deeltjes het precies gaat. Theoretici voorspelden meestal wat er kon gebeuren, en experimentele onderzoekers zochten dan met deze
Tafels naar het verwachte banenpatroon. Tienduizenden foto’s werden zo 1 na 1 onderzocht, op zoek naar nog onbekende verschijnselen en patronen.
Nu doet de elektronica al dat werk. Neem de dradenkamer. De duizenden draden vormen een fijn web, dat onder spanning gezet wordt. Passeert er een geladen deeltje, dan wordt in enkele draden een spanning opgewekt, naar sensoren geleid, en computers doen daarna alle berekeningen.GeorgesCharpak heeft .voor deze ontdekking in 1992 de Nobelprijs gekregen. Het komt er natuurlijk op aan de baan van het deeltje bij zo’n passage zo weinig mogelijk te beÔnvloeden.
Dank zijn de in CERN op punt gestelde techniek is men nu in staat allerlei voorwerpen door te lichten: tassen, kledij, auto’s, vrachtwagens,maar ook weefsel, zonder iets te beschadigen.
Er zijn detectors die nu elektronisch het spoor volgen
er zijn er die de energie meten, calorimeters,merk op hoeveel elektronica hier nodig is.
Van elke soort moet men verschillende versies ontwerpen om alle deeltjes te kunnen opsporen
En dat in alle richtingen ten opzichte van het botsingsmiddelpunt. Huizenhoge contructies zijn daar voor nodig.
Duizenden sensoren zijn dus nodig, allemaal gestuurd door computers die data moeten verzamelen.In de LHC zullen 40 miljoen botsingen per seconde plaats vinden, met 1 miljard sporen per seconde, wat resulteert in 1 Petabyte aan gegevens. Software weerhoudt daarvan 1 op een miljoen interessante gevallen, waarvan ervaren onderzoekers nog eens 99% weggooien. Wat dan overblijft wordt onthouden: ongeveer 3000 Terabyte per jaar. Kun je je voorstellen hoeveel werk dit betekent voor de chipindustrie, de softwareontwikkelaars en de elektronica-industrie? Want, over vijf jaar moet dit in orde zijn, hoewel de vereisten nu nog elke techniek met een factor 5 overstijgt. Deze uitdaging betekent dus een enorme stuwende kracht voor die sectoren.
Als de gegevens verzameld zijn moet men ze nog verwerken. Hier worden de echte wetenschappelijke programmeurs ingezet. Zij moeten die gegevens ordenen, zichtbaar maken, berekeningen doen. Enorm krachtige computers, die nog moeten ontwikkeld worden, zullen die massale hoeveelheid gegevens moeten verwerken. Al die computers moeten met elkaar in verbinding staan, voel je het al komen ?
Inderdaad, Cern is de plaats waar het WWW ontwikkeld werd. Hoewel er veel geld mee te verdienen zou geweest zijn, is het een principe van Cern om alle technologie die men ontwikkelt vrij ter beschikking te stellen van heel de wereld. Het WWW is daar een voorbeeld van. Maar hier denkt men al weer verder. Men ontwikkelt nu al het WWGrid. Wacht nog twee jaar, dan zul je er wel van horen.
Het laatste deel van de tentoonstelling, waar er trouwens ettelijke computers staan met nog meer inlichtingen, is een meer theoretisch gedeelte.
Interacties tussen deeltjes gebeuren door boodschappers tussen die deeltjes, fotonen voor geladen deeltjes (elektromagnetische kracht ), de nog niet ontdekte gravitonen zouden de gravitationele interactie overbrengen; de zwakke wisselwerkingen, die radioactief verval veroorzaken, zouden volgens theoretische voorspellingen door W en Z deeltjes gedragen worden. Wel, C. Rubbia heeft die deeltjes inderdaad ontdekt, met de eerste reeks LEP experimenten. Na 16 minuten had men de deeltjes al. Kun je je voorstellen hoe nauwkeurig de berekeningen waren?
Men had berekend dat de bundel elektronen zo fijn op elkaar moesten botsen, dat men het kan vergelijken met twee spelden die van op 10 km afstand naar elkaar toe geschoten worden en elkaar op de punt moesten raken. Schampschoten leveren geen resultaten op!!! Om de bundels zo fijn te krijgen heeft S. Van der Meer een methode ontwikkeld, die er op neer komt dat de deeltjes die niet netjes in de rij lopen in de rij teruggeduwd worden: men noemt dit stochastische koeling. Daarvoor verdiende hij, met Rubbia eveneens de Nobelprijs.
De laatste wisselwerking die we kennen is de sterke wisselwerking. Toch nog eventjes verder doordringen in het atoom, nu zelfs in het proton. Binnen in het proton zijn er nog kleinere, bijna puntvormige massieve deeltjes, quarks. 3 om juist te zijn, ook in het neutron zijn er 3. Tussen quarks heersen interacties, met als boodschappers gluonen. Maar om die te zien is er een energie nodig die nog een miljoen maal hoger is dan wat de LHC aankan. Wat de LHC wel zal kunnen vaststellen is dat de materie misschien overgaat in een nieuwe aggregatietoestand: het quark-gluon plasma.