Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde onderwijs in het voortgezet onderwijs.
Eerste botsing in deeltjesversneller CERN
Bron: NRC Handelsblad, 23 november 2009
Rotterdam, 23 nov. Medewerkers van het Europees instituut voor deeltjesonderzoek Cern bij Genève zijn er voor het eerst in geslaagd om deeltjes - nog wel bij lage energie - te laten (proef) botsen in de grootste deeltjesversneller op aarde, de LHC-versneller. De stap werd omschreven als een "grote prestatie."
Om half twee slaagden de versnellerexperts er in om twee bundels met deeltjes tegelijk in tegengestelde richting te laten reizen door de 27 kilometer lange ringvormige versneller.
Het was eerder al gelukt om deeltjes met de klok mee (op vrijdag) en tegen de klok in (zondag) door de ondergrondse LHC-versneller te laten draaien.
De versneller verkeert in een uitstekende toestand, zei versnellerbaas Steve Myers vanmiddag op een persconferentie waar hij plots van de kwaliteit van de deeltjesbundels toonde.
Vorig jaar raakte de LHC negen dagen na het opstarten zwaar beschadigd. De oorzaak was een kortsluiting in een verbinding tussen twee supergeleidende magneten en een daarop volgende heliumexplosie. Het herstel kostte ruim een jaar. Er bleken extra voorzieningen nodig, zoals veiligheidskleppen voor het heliumsysteem, om zo’n rampscenario in de toekomst te voorkomen. En het kostte maanden om de versneller weer af te koelen tot 1,9 graden boven het absolute nulpunt, de temperatuur waarbij LHC functioneert.
De fragmenten die bij deeltjesbotsingen vrijkomen geven fysici inzicht in de kleinste bouwstenen van de materie. Maar daarvoor is bovendien vereist dat de botsende deeltjes eerst tot hoge energie zijn versneld. De supergeleidende magneten die dat bewerkstelligen, zullen pas in december worden ingeschakeld – een volgende spannende stap, omdat het juist daar vorig jaar mis ging.
Vragen en opdrachten
Op de foto zie je de tunnel, waarin de LHC deeltjes versneller is gebouwd. In het filmpje over de LHC rap kun je enigszins in de tunnel rondkijken. LHC betekent Large Hadron Collider, ofwel Grote Hadronen Botsmachine.
a) Hoe komt het dat de tunnel op de foto recht lijkt?
b) De deeltjes zijn zogenoemde hadronen. Zoek dit woord op en noem de hadronen die jij kent met telkens één eigenschap erbij.
c) Welk voordeel heeft het om de deeltjes in tegengestelde richting te laten reizen?
d) Wat is de eenheid van het getal 1,9?
e) Hoeveel °C is 1,9 graden boven het absolute nulpunt?
Blijkbaar komen bij de botsingen van deze hadronen brokstukjes vrij, de allerkleinste bouwstenen van de materie. De allerkleinste bouwstenen krijg je niet zo gemakkelijk vrij, je kunt wel gemakkelijk een klein brokje materie afbreken, maar dan splijt je nog geen hadronen. Hadronen kun je splijten door ze met zeer hoge snelheid te laten botsen.
f) Maak aannemelijk dat je zo'n grote machine nodig hebt om inzicht te krijgen in zoiets kleins.
Uitwerking vraag (a)
Op de foto kun je hoogstens 75 meter de tunnel inkijken. Dat is 1/360 deel van de hele cirkel van 27 km rond. 1/360 segment van een cirkelomtrek is vrijwel recht om dezelfde reden dat de aarde, die rond is, er ook plat uitziet als je erop staat.
Uitwerking vraag (b)
Waarschijnlijk ken je de protonen, deeltjes met een positieve elektronlading en de neutronen, die neutraal zijn.
Uitwerking vraag (c)
De botsing is dan heftiger.
Uitwerking vraag (d)
Kelvin.
Uitwerking vraag (e)
-271,1 °C.
Uitwerking vraag (f)
Deze allerkleinste bouwstenen zitten afgeschermd in de materie opgesloten, alleen door zeer heftige botsingen kunnen ze worden vrijgemaakt. Om hadronen daarvoor genoeg snelheid te geven heb je een lange baan nodig. Om de allerkleinste deeltjes, die bij de botsingen vrijkomen, waar te nemen, heb je een grote detector nodig vanwege de zeer hoge snelheid die ze hebben.
