CERN is de afkorting van Conseil Européen pour la Recherce Nucléaire. Hoewel dit de officiële naam is van dit indrukwekkende onderzoeksinstituut wordt het tegenwoordig ook vaak het Europese laboratorium voor deeltjesfysica genoemd. Dat dekt de lading misschien wel beter, want onderzoek naar deeltjes is precies wat ze bij CERN doen!
Met de experimenten in CERN proberen onderzoekers meer inzicht te krijgen in hoe de natuur zich gedraagt door onderzoek te doen op zeer kleine schaal.
CERN ligt ten westen van de Zwitserse stad Genève op de grens met Frankrijk. Er werken inmiddels meer dan 17.500 mensen met wel 110 verschillende nationaliteiten. Een groot aantal hiervan werkt permanent in CERN. Maar er zijn ook onderzoekers van over de hele wereld die tijdelijk naar CERN komen om experimenten te doen.
Ontwikkeling deeltjesversnellers CERN
In maart 1954 startte de bouw van CERN, nadat twaalf internationale partijen – waaronder Nederland – hiervoor de CERN-conventie getekend hadden. De eerste deeltjesversneller die gebouwd werd was klaar in 1957: de Synchro Cyclotron (SC). Wetenschappers gebruikten deze deeltjesversneller 33 jaar lang voor hun onderzoek. Later in 1959 werd de Proton Synchrotron (PS) in gebruik genomen. Daarna volgde in in 1972 de Proton Synchotron Booster en in 1976 de Super Proton Synchrotron (SPS), die met zijn 7 kilometer lange omtrek voor het eerst onder Frans grondgebied terechtkwam.
In 1989 werd de Large Electron Positron Collider (LEP) in gebruik genomen. Deze deeltjesversneller – die elektronen en positronen versnelde – lag onder de grond in een tunnel met een omtrek van wel 27 kilometer. Deze deeltjesversneller bleef 11 jaar in gebruik. Na de ontmanteling van LEP bouwden ze in dezelfde tunnel de nieuwste deeltjesversneller: de Large Hadron Collider (LHC). Deze deeltjesversneller – waarin protonen en zware ionen zoals loodionen worden versneld – is in 2008 in gebruik genomen en is nog steeds in gebruik. In figuur 4 zie je een overzicht van CERN met hierin de deeltjesversnellers die in bedrijf zijn en de locaties van een aantal detectoren/experimenten.
Baanbrekende ontdekkingen
CERN is een ongelooflijk groot onderzoeksinstituut dat al ruim zeventig jaar lang fundamenteel onderzoek doet. Maar dat onderzoek heeft dan ook geleid tot grote ontdekkingen! De bekendste hiervan is misschien wel de ontdekking van het higgsdeeltje of higgsboson.
Al in 1964 was er een theorie ontwikkeld die voorspelde dat er een soort energieveld zou moeten bestaan, het higgsveld, dat de massa van elementaire deeltjes zou kunnen verklaren. Maar om te bevestigen dat het higgsveld bestaat, zouden wetenschappers het bestaan van het hiermee verbonden higgsdeeltje moeten aantonen. Dat lukte in 2012 met behulp van de Large Hadron Collider. Voor het eerst toonden onderzoekers hiermee het bestaan van het higgsdeeltje experimenteel aan en bevestigden zo de theorie over het higgsveld. Het was een baanbrekende ontdekking!
Naast de ontdekking van het higgsdeeltje in CERN zijn in 1983 bijvoorbeeld ook het bestaan van W- en Z-bosonen aangetoond en nog maar kortgeleden, in 2022, werd er weer een nieuw soort penta-quark ontdekt. Ook zijn er de laatste jaren bij experimenten met de LHC meer dan 50 nieuwe deeltjes ontdekt, zogenoemde hadronen.
Large Hadron Collider
Een deeltjesversneller doet precies wat het woord zegt: het versnelt geladen deeltjes. De Large Hadron Collider in CERN is een cirkelvormige deeltjesversneller, een synchrotron. Deze deeltjesversneller bestaat uit twee ronde circuits met een omtrek van 27 kilometer, waarin de deeltjes – protonen of zware ionen – in tegengestelde richting bewegen.
De ruimte in de twee circuits van de LHC wordt heel secuur vacuüm gehouden. De geladen deeltjes die de LHC binnenkomen zijn daarvoor al stapsgewijs versneld tot heel hoge snelheden. Dat gebeurt eerst in de lineaire versneller LINAC4, daarna in de Proton Synchotron Booster(PSB), de Proton Synchotron (PS) en vervolgens in de Super Proton Synchotron (SPS). In de LHC worden ze dan nog verder versneld en in hun baan gehouden door een supersterk magnetisch veld dat in stand gehouden wordt door supergeleidende magneten. Uiteindelijk zullen de deeltjes na al deze stappen bijna net zo snel gaan als het licht. Omdat de deeltjes dan relativistisch zijn, praten wetenschappers daarom niet meer over de snelheid van de deeltjes, maar over de totale energie die de deeltjes dan hebben.
Als deze energie van de deeltjes in de LHC hoog genoeg is, laten onderzoekers de hoogenergetische deeltjes uit de tegengestelde richtingen op elkaar botsen. Hierdoor vallen de deeltjes in brokstukken uit elkaar. Door te kijken naar de sporen die de verschillende ‘brokstukken’ achterlaten, kun je dan achterhalen welke deeltjes hierbij zijn ontstaan.
Figuur 6: Simulatie van zware ionen die in de Large Hadron Collider op elkaar botsen en als brokstukken uiteenvallen. Detectoren meten de sporen van deze brokstukken. Bron: CERN.
Botsingen protonen bestuderen met ATLAS
Eén van de detectoren in CERN die de sporen van de brokstukken kan analyseren is de ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS).
Figuur 7: Overzicht van de ATLAS-detector. Bron: CERN.
Aan het ATLAS-experiment werken ook onderzoekers mee van het Nederlandse Nationaal instituut voor subatomaire fysica, het Nikhef. Eén van deze onderzoekers is deeltjesfysicus Clara Nellist. Zij doet regelmatig onderzoek bij CERN en laat zien hoe je bij de ondergrondse meetopstelling komt.
Figuur 8: Hoe ziet het er onder de grond uit bij CERN en het ATLAS-experiment? Bron: Clara Nellist, YouTube.
Bij het ATLAS-experiment versnellen ze pakketjes protonen in de LHC tot snelheden van bijna de lichtsnelheid. Vervolgens laten ze de pakketjes supersnelle protonen uit tegengestelde richtingen op elkaar knallen – dit zijn wel een miljard botsingen per seconde. Daar waar ze op elkaar botsen, kijken ze met de ATLAS-detector wat er bij deze proton-protonbotsingen gebeurt.
ATLAS is dus eigenlijk een gigantische microscoop, die met heel geavanceerde technieken een soort foto maakt van de sporen die de brokstukken van deze botsingen achterlaten. Om alle sporen van de verschillende soorten deeltjes te kunnen onderscheiden, zitten er wel zo’n 150 miljoen meetelementen in de ATLAS-detector! Door de sporen van de brokstukken te analyseren, kunnen onderzoekers erachter komen welk soort deeltjes er zijn ontstaan bij de botsing. Ook kunnen ze hieruit opmaken wat de eigenschappen van de deeltjes waren, zoals hun richting en hun energie.
Samen met een andere detector bij CERN, de CMS (Compact Muon Solenoid), heeft ATLAS bijgedragen aan het ontdekken van het higgsdeeltje. Onderzoekers gebruiken de ATLAS-detector om verder op zoek te gaan naar nog meer gedetailleerde informatie over het standaardmodel. Zo ontdekken ze hiermee misschien zelfs weer nieuwe deeltjes en nieuwe fenomenen. Ook hopen ze hiermee antwoord te vinden op de vele vragen over donkere materie.
Botsingen zware atoomkernen bestuderen met ALICE
Een ander groot experiment dat in CERN plaatsvindt is ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Ook aan dit experiment werkt het Nikhef mee. Met ALICE bestuderen ze voornamelijk het botsen van zware atoomkernen (bijvoorbeeld lood-ionen).
Figuur 10: Overzicht van de ATLAS-detector. Bron: CERN.
In de LHC laten ze deze atoomkernen – die versneld zijn tot bijna de lichtsnelheid en gigantisch veel energie hebben – op elkaar botsen. Door de klap komt er zo veel energie vrij dat de temperatuur wel tot 2000 miljard graden stijgt. Dat is wel 100.000 keer hoger dan de temperatuur in de kern van de zon! Door deze hoge temperatuur ontstaat er een plasmatoestand: het quark-gluonplasma.
De plasmatoestand die ontstaat bij de botsingen is een toestand die waarschijnlijk ook vlak na de oerknal bestond en ook nu kan bestaan in de kern van neutronensterren. Onderzoekers gebruiken het ALICE-experiment om quarks en gluonen te bestuderen in het quark-gluonplasma. Zo hopen ze meer te weten te komen over de samenstelling en de kernkrachten binnen in atomen. Ook verwachten ze hiermee unieke inzichten te krijgen in het ontstaan van het heelal.
Antimaterie bestuderen
Daarnaast doen ze bij CERN ook experimenten die meer inzicht moeten geven in antimaterie. Zulke experimenten doen ze met de Antiproton Decelerator (AD). Deze machine maakt laag-energetische antiprotonen die nodig zijn om antimaterie te bestuderen. Inmiddels kunnen ze in CERN zelfs antiprotonen maken die nog minder energie hebben. Dit gebeurt door ze voordat ze de AD in gaan eerst nog door een nieuwe machine te leiden, de Extra Low Energy Antiproton (ELENA).
Zo zijn er nog veel meer interessante experimenten en detectoren in CERN. Door het onderzoek dat daar plaatsvindt, komen wetenschappers steeds meer te weten over de kleinste deeltjes waaruit alles is opgebouwd.
Verbazende feiten over de Large Hadron Collider
Het op elkaar laten botsen van deeltjes in de LHC is een waar technisch hoogstandje vertellen ze op de website van CERN. Je zou het kunnen vergelijken met twee naalden die je afschiet vanaf twee punten die 10 kilometer uit elkaar liggen, waarbij ze elkaar precies halverwege moeten raken. Ongelooflijk toch?
Educatief centrum
Natuurkundigen zijn natuurlijk gefascineerd door het onderzoek dat ze doen bij CERN. Maar om ook anderen – van jong tot oud – te laten kennismaken met wat hier gebeurt, is er op 8 oktober 2023 ook een educatiecentrum geopend bij CERN: Science Gateway.
Bezoekers ontdekken hier bij exposities, workshops, science shows en speciale evenementen welke ontdekkingen er gedaan zijn en wat ze onderzoeken in CERN. Ook leren ze over de wetenschap en techniek die achter het onderzoek bij CERN zit. Zo willen wetenschappers ook anderen betrekken bij het onderzoek dat hier plaatsvindt. En natuurlijk hopen ze ook jongeren te inspireren om te kiezen voor een carrière in de wetenschap en techniek!
Wil je ook naar CERN?
Ben jij nieuwsgierig wat er allemaal gebeurt in CERN en hoe het er daar uitziet? Vanuit de Nederlandse Natuurkundige Vereniging worden regelmatig reizen naar CERN georganiseerd speciaal voor scholieren.
Figuur 12: Video van een schoolbezoek aan CERN in 2020. Bron: YouTube.
Verrassende uitvinding dankzij CERN
Misschien vraag je af wat jij in het dagelijks leven hebt aan het onderzoek dat wetenschappers doen bij CERN? Natuurlijk is het goed om precies te weten hoe materie precies in elkaar zit. Dat geeft inzicht in hoe de wereld om ons heen functioneert en hoe alles is ontstaan. Maar het grappige is dat wij – misschien wel zonder het te weten – allemaal dagelijks profiteren van dit bijzondere onderzoekinstituut. We hebben het internet namelijk te danken aan CERN!
De Britse software-ontwikkelaar Tim Berners-Lee en zijn een projectmanager bij CERN, de Belg Robert Cailliau, zochten een manier om voor projecten bij CERN de informatie-uitwisseling tussen wetenschappers uit verschillende landen gemakkelijker te maken. Zij waren het die hiervoor in 1990 de eerste versie van het World Wide Web ontwikkelden.
En hoewel het World Wide Web dus in eerste instantie ontworpen was voor de informatie-uitwisseling tussen onderzoekers van CERN, werd het later toegankelijk voor iedereen. Zo is het uitgegroeid tot een techniek die de basis vormt voor het internet zoals jij en ik het nu dagelijks gebruiken!
