De Large Hadron Collider (LHC) in Cern is sinds het najaar van 2008 in het nieuws. Soms verslapt de media-aandacht voor dit project maar wanneer de metingen weer gestart worden staat de LHC weer op de voorpagina. Eén van de manieren waarop het LHC-experiment bij het grote publiek bekend is geworden, is de LHC-rap op youtube. Een medewerker van CERN heeft de wetenswaardigheden rond dit experiment in een Engelstalige rap geplaatst. In dit artikel wordt door Marcel Vreeswijk in gewoon Nederlands uitgelegd wat het experiment inhoudt. Hierbij heeft de tekst van de rap als uitgangspunt gediend maar het is geen letterlijke vertaling geworden. De rap kun je elders vinden op natuurkunde.nl, compleet met Nederlandse vertaling.
LHC
Al sinds de jaren tachtig is er gedacht over en gewerkt aan de grootste deeltjesversneller op aarde: de Large Hadron Collider of kortweg de LHC. In 2008 was het zover: op 10 september vloog een eerste protonbundel een rondje van 27 km terwijl de hele wereld meekeek! Dat was een hele prestatie, maar het zal nog echter een tijdje duren voordat de eerste hoog energetische botsingen plaatsvinden, want eerst moet de machine helemaal goed ‘getuned’ worden. Er zijn ook technische problemen geweest waardoor er enkele magneten zijn beschadigd. Hoe dan ook, we mogen er van uit gaan dat we in 2009 gaan knallen!
CERN
Dit project vindt plaats op CERN, het Europese deeltjeslaboratorium, waar ondertussen de gehele westerse wereld aan meewerkt, maar er werken ook Russen, Japanners, Chinezen en Australiërs mee. De LHC loopt in een grote ronde tunnel met 27 km omtrek en ligt 100 m onder grond aan de rand van Geneve en ook deels onder Frankrijk. In die tunnel staan de magneten voor de LHC, die de protonen in hun baan houden. Dat zijn supergeleidende magneten die gekoeld worden door vloeibaar helium van slechts 2,7 K. Dat is dus maar een paar graden boven het absolute nulpunt en kouder dan het koudste plekje in het heelal (want daar is het minstens 3 K door de kosmische achtergrondstraling).
Op vier plekken in de tunnel zijn grote hallen uitgegraven (dus ook 100 m onder de grond) waar grote detectoren staan, zoals ATLAS en CMS. De grootste detector heet ATLAS en is 45 m lang en 30 m hoog en heeft hetzelfde wetenschappelijke programma als CMS. In het midden van deze detectoren knallen de protonen op elkaar en de brokstukken worden gedetecteerd. Het idee is dat er bij deze botsingen, uit energie via E = m c2 , soms nieuwe tot nog toe onbekende deeltjes (en antideeltjes) worden geproduceerd die niet lang na de oerknal een rol hebben gespeeld bij de het onstaan van de huidige bekende deeltjes.
Materie in het Heelal
Alle bekende gewone materie om ons heen bestaat atomen, die weer zijn opgebouwd uit een kern met een zwerm elektronen erom heen. De kern bestaat uit protonen en neutronen, die op hun beurt weer uit ‘up’ en ‘down’ quarks bestaan. Met behulp van deeltjesversnellers zijn ook nog andere quarks gevonden: ‘strange’, ‘charm’, ‘bottom’ en ‘top’. Alle deeltjes die uit quarks zijn opgebouwd zijn onderhevig aan de ‘sterke wisselwerking’ (of ‘kern-kracht’) en noemen we hadronen. De elektronen behoren tot een bepaalde soort deeltjes, de leptonen, waar ook muonen en tauonen en bijbehorende neutrino’s toe behoren. Ook bestaat er voor elk deeltje een bijbehorend antideeltje met tegengestelde elektrische lading en spin. De naam van het antideeltje is dezelfde als zijn gewone broertje met ‘anti-‘ ervoor (behalve voor het electron, want dat is het antideeltje van het positron, het anti-elektron dus).
Er lijkt in het heelal echter nog een heleboel onzichtbare materie rond te zwerven waarvan de samenstelling totaal onbekend is. Uit de bewegingen van sterren en sterrenstelsels kan worden afgeleid dat er naast de bekende materie ook veel onbekende materie moet rondzwerven. Deze mysterieuze onbekende materie, wordt ‘donkere materie’ genoemd en qua massa is er wel 10 x zoveel donkere materie dan gewone materie.
Een belangrijke eigenschap van deeltjes is dat ze massa hebben, maar het is onbekend waardoor massa nou eigenlijk ontstaat. Een quantumtheorie die het Standaard Model. wordt genoemd stelt dat massa wordt gevormd door het Higgs mechanisme en voorspelt het bestaan van het Higgs deeltje. Als het bestaat, kan dit deeltje door de LHC gemaakt worden en door de detectoren ATLAS en CMS ‘gezien’ worden. Het Higgs mechanisme houdt in dat overal om ons heen in het hele heelal een Higgs veld aanwezig is. Net zoals negatieve en positieve lading een kracht in een elektrisch veld ondervinden, voelen deeltjes een kracht van het Higgs veld, maar wel met totaal andere eigenschappen dan de elektrische kracht. Massa is een soort Higgs-lading. Een foton heeft geen massa en een top quark ‘weegt’ wel 175 protonen. Antideeltjes hebben overigens dezelfde massa als hun gewone broertjes.
Jets
Er zijn echter vele andere theorieën ‘op de markt’, waarvan sommige lijken op sciencefiction, maar toch berusten op degelijke natuurkundige en wiskundige principes. Zo is er de theorie Supersymmetrie (SuSy) waarin het bestaan voorspeld wordt van nog onbekende Susy-deeltjes als ware het partners van de bekende deeltjes. Er wordt gespeculeerd dat het mysterie van de ‘donkere materie’ in het heelal dan simpelweg verklaard kan worden door zware rondzwervende SuSy-deeltjes die geen of nauwelijks interactie met andere materie hebben. Als zo’n een SuSy-deeltje door de LHC wordt geproduceerd kan het niet direct worden gedetecteerd, want het vliegt dwars door de detector, door de aarde en nog verder zonder dat het gehinderd wordt door materie.
Een dergelijk ontsnappend deeltje heeft naast massa ook energie en impuls meegenomen. Naast dit deeltje worden er ook gewone deeltjes geproduceerd, veelal in de vorm jets; dat is een sproeier van tientallen deeltjes. Als de natuurkundigen deze botsingen analyseren lijkt het direct alsof de wet van energie- en impulsbehoud geschonden is en na verdere analyse zal het ontsnapte SuSy-deeltje toch ontmaskerd kunnen worden.
Mag het een dimensie meer zijn?
Maar we kunnen er nog een schepje bovenop doen: de theorie van de Extra-Dimensies, in totaal misschien wel 11 dimensies. De extra dimensies zijn alleen toegankelijk als deeltjes heel dicht bij elkaar kunnen komen en dat komt overeen met deeltjes die heel hard op elkaar botsen, zoals in de LHC dus. Als klap op de vuurpijl moet vermeld worden dat sommigen denken dat (quantum) Zwarte-gaten gemaakt kunnen worden die meteen weer verdampen. Enkelen, uiteraard geen natuurkundigen, denken dat zo de aarde en omstreken vernietigd kan worden, maar je kunt gerust zijn. Iedere seconde namelijk vindt er wel ergens in de buurt een deeltjesbotsing plaats van kosmische deeltjes op onze atmosfeer of op de maan of in de zon enzovoort. De energieën van deze botsingen zijn vaak net zo hoog als bij de LHC, maar in veel gevallen nog miljoenen malen hoger! Kortom, de natuur knalt er dus harder op los dan de LHC en dat al miljarden jaren en we zijn nog steeds geen zwart gat. Waarom hebben we dan nog een deeltjesversneller nodig? Het verschil is dat de kosmische botsingen op een willekeurige plek en op een willekeurig moment plaatsvinden, terwijl de LHC op een gecontroleerd moment en op de juiste plaats (midden in de detector) twee protonen laat botsen, zodat we de botsingen kunnen meten.
De Extra-Dimensies bieden een verklaring voor het feit dat de zwaartekracht zo slap is, vergeleken met de andere fundamentele natuurkrachten: de elektrische, magnetische, de zwakke (radioactiviteit) en de sterke (kern) kracht. Met deze krachten vergeleken, die ongeveer even sterk zijn, is de zwaartekracht echt slap, ongeveer 10000000000000000000000000000000000000000 keer zo slap.
Dit geldt natuurlijk alleen voor hele kleine deeltjes zoals protonen enzo. Voor jou als mens is de zwaartekracht juist heel sterk in het dagelijks leven aanwezig, omdat de hele aarde aan je trekt, terwijl de andere krachten worden opgeheven, zoals bijvoorbeeld de elektrische kracht door de aanwezigheid van netto evenveel positieve als negatieve lading. Hoe dan ook, natuurkundigen denken dat hier meer achter zit, want waarom is de zwaartekracht zo’n grote, of beter gezegd kleine, uitzondering? Door te stellen dat de zwaartekracht intrinsiek wel gewoon sterk is, komt men tot de conclusie dat een deel van de zwaartekracht moet weglekken naar andere dimensies. Die dimensies zijn opgekrulde ruimtes waarin zwaartekracht-deeltjes, ofwel gravitonen, gevangen zitten.
LHCb en ALICE
Er zijn twee detectoren met een wat specifieker wetenschappelijk programma, LHCb en ALICE. De LHCb detector registreert de productie van deeltjes en antideeltjes waarbij een bottom quark bij betrokken is. Uit eerdere metingen blijkt dat de symmetrie tussen deeltjes en antideeltjes geschonden is en LHCb gaat de ontbrekende puzzelstukjes vinden. Dit zou een verklaring kunnen opleveren waarom er in het heelal (bijna) allemaal gewone deeltjes (of gewone materie) voorkomt, terwijl er altijd evenveel materie als antimaterie gemaakt wordt.
De ALICE detector heeft ook een speciaal wetenschappelijk programma dat wordt gekarakteriseerd door de zoektocht naar quark-gluon plasma, een nieuwe toestand van materie. Om een quark-gluon plasma te vormen moeten er heel veel quarks en gluonen bij elkaar gebracht worden. De LHC zal hiervoor bij gelegenheid met lood atomen gevuld worden en die worden vervolgens op elkaar geknald. De ATLAS en CMS detector daarentegen hebben een veel breder programma. Dat zijn eigenlijk een soort ‘zoekmachines’, want ze zijn ontworpen om naast het vinden van het Higgs deeltje, een breed scala aan theorieën, experimenteel te toetsen of als het even kan om totaal ‘nieuwe fysica’ te ontdekken!
