Hart van de Materie 20: CERN

Altius, citius, fortius!

Elementaire deeltjes vinden is op zich geen complexe zaak. Ze moeten alleen voldoende energie bevatten om ze te kunnen detecteren. Neem nu kosmische stralen, een bron van muonen en pionen die op onze aardse atmosfeer afstormen met een energie van 1020 eV. Energie bevatten die genoeg. Alleen geven ze die geleidelijk aan af zodra ze onze atmosfeer bereiken, zodat ze eigenlijk enkel nuttig zijn wanneer we onze metingen kunnen doen op hoge bergtoppen (denk aan het verhaal van Occhialini en Lattes in episode 17) of met behulp van weerballonnen. Daarenboven kunnen we hun sterkte niet controleren.

Een foto uit 1957 van de vorming van een kaon door het Cosmotron in
Brookhaven National Laboratory te New York. Het deeltje wordt afgeremd
in de fotografische emulsie en vervalt tot een snel, positief geladen licht meson. 
Bron: United States Department of Energy, Flickr, Publiek domein.

Wetenschappers hebben daarom van in de jaren 1920 geprobeerd om deeltjes ook in een laboratorium hogere energieën te geven, op een precies afgestelde manier. Hogere energieën kunnen bereikt worden door de deeltjes een hogere snelheid te geven (vermits de snelheid van een deeltje bepaald wordt door zijn kinetische energie), en zodus bouwden onderzoekers apparaten die deze deeltjes konden versnellen.  We hadden het eerder al over de lineaire versneller van Rolf Widerøe uit 1928, over de deeltjesversneller van Cockcroft en Walton uit 1932 en over het cyclotron van Lawrence uit datzelfde jaar (zie episode 15).

Cyclotrons zijn niet in staat om deeltjes een energie van meer dan 20 MeV mee te geven omdat ze geen relativistische effecten in rekening brengen. Die effecten zorgen ervoor dat deeltjes moeilijker worden om te versnellen naarmate ze de snelheid van het licht naderen. Hoe lager de rustmassa van het deeltje, hoe sneller de deeltjes boven die grens uitstijgen. Elektronen hebben een bijzonder kleine rustmassa en kunnen dus niet door een cyclotron worden versneld.

Deze problemen werden opgelost met de uitvinding van het bètatron, door de Amerikaanse fysicus Donald Kerst in 1940. Dit bètatron is opgebouwd zoals een cyclotron, maar versnelt elektronen met een magnetisch veld dat sterker wordt naarmate de elektronen zich verwijderen van het centrum, Dat heeft meteen tot gevolg dat ze ook sterker versneld worden en dat hun snelheid dus sneller dichter bij de lichtsnelheid komt. Net als bij het cyclotron kunnen hogere snelheden worden bereikt met sterkere magnetische velden en grotere afmetingen.

Het eerste bètatron, gebouwd door Donald Kerst (rechts in beeld) in 1940 aan de University of Illinois. De naam "bètatron" werd gekozen in een wedstrijd en verwijst naar het feit dat een straal versnelde elektronen niets anders is dan een bètastraal. Andere voorstellen voor de naam waren rheotron, inductron, en zelfs Ausserordentlichhochgeschwindigkeitelektronenentwickelnden-schwerarbeitsbeigollitron.
Bron: Electronics magazine, McGraw-Hill Publishing Co., New York, Vol. 15, No. 2, February 1942, p. 22
– Publiek domein.

 

In 1945 volgde een verdere verbetering van het toestel, met het synchrocyclotron van de Amerikaanse fysicus Edwin McMillan. Dit is hetzelfde als een cyclotron, maar bestaat uit slechts één D, en compenseert voor relativistische effecten door de frequentie van het elektrische veld te veranderen, in plaats van constant te houden.

Dit synchrocyclotron werd snel vervangen door het synchrotron, uitgevonden door de Rus Vladimir Veksler in 1944. Het eerste synchrotron werd echter onafhankelijk van Veksler gebouwd door McMillan, die de publicatie van Veskler in een fysicatijdschrift uit de Sovjetunie nooit gelezen had. In een synchrotron beweegt een bundel continu versnellende deeltjes in een vaste gesloten baan. Een magnetisch veld zorgt weer voor de afbuiging van de straal. Dit veld neemt tijdens het versnellingsproces toe, synchroon met de toenemende kinetische energie van de deeltjes.

De krachtigste deeltjesversnellers vandaag de dag gebruiken het synchrotronontwerp. Zijn grootste synchrotron-type versneller is de Large Hadron Collider (LHC) in de buurt van Genève, Zwitserland, gebouwd in 2008 het CERN.

Tekening uit het patent op de synchrocyclotron van McMillan. 
Bron: McMillan, US 2615129 A, 21 oktober 1952.

 

Het instituut voor het synchrotron “Soleil”, een synchrotron ten zuidwesten van Parijs.
Dit synchrotron heeft een omtrek van 354 m en kan elektronen versnellen tot een energie van 2,75 GeV.
Na slechts 1,2 microseconden heeft een elektron al bijna de snelheid van het licht bereikt.
Deze bundel elektronen wordt op verschillende plaatsen afgeleid naar de eigenlijke experimenten.
Bron: copyright © Synchrotron Soleil

 

Overzicht van Synchrotron Soleil. De buitenste cirkelvormige ring is de synchrotron. De elektronenbundel (lichtblauwe straal) wordt versneld door elektrische velden in de rechte secties tussen de groene vierkanten. De rode rechthoeken zijn magneten die de straal buigen. Op dat moment geven de elektronen synchrotronstraling (in geel) af. Die bestaat voornamelijk uit X-stralen. Ze worden afgeleid naar de verschillende straallijnen, waar wetenschappelijke instrumenten, experimenten enz… opgesteld staan.
Bron: Copyright © EPSIM 3D/JF Santarelli, Synchrotron Soleil 

 

Europa slaat de handen in elkaar

Na de Tweede Wereldoorlog lag de onderzoeksinfrastructuur in Europa aan diggelen. Zeker wat grote apparatuur betrof, was de leidende rol van het oude continent overgenomen door de Verenigde Staten. Enkele topfysici, waaronder de Franse ingenieur Raoul Dautry, de Franse natuurkundigen Pierre Auger en Lew Kowarski, de Italiaanse fysicus Edoardo Amaldi en de ons reeds bekende Niels Bohr, stelden daarom in 1949 een plan voor om een internationaal laboratorium voor kernfysica te ontwikkelen, met apparatuur (zoals deeltjesversnellers) die te duur waren voor individuele universiteiten en zelfs landen. Een eerste concrete uitwerking volgde in december van dat jaar, van de hand van Louis de Broglie.

Deze vraag viel niet in dovemansoren. Reeds een jaar later richtte de UNESCO een ??Europese Raad voor Nucleair Onderzoek op (Conseil Européen pour la Recherche Nucleaire in het Frans, afgekort CERN). Elf landen namen deel: België, Denemarken, Frankrijk, de Bondsrepubliek Duitsland, Griekenland, Italië, Nederland, Noorwegen, Zweden, Zwitserland en Joegoslavië. Deze raad ging van start in februari 1952, en Groot-Brittannië sloot zich een jaar later aan. Als hoofdkwartier werd gekozen voor de Zwitserse stad Genève, en in mei 1954 begon daar de bouw van het onderzoekslaboratorium.   

CERN's eerste deeltjesversneller (in gebruik tussen 1957 en 1990) was het Synchrocyclotron. In 1959 kwam het Proton Synchrotron in actie (en dit toestel is nog steeds functioneel). Hiermee bereikte het CERN energieniveaus tot 28 GeV, op dat moment het hoogste resultaat wereldwijd. Ook qua detectie-apparatuur zat men niet stil. Bubbelkamers waren handig, maar te traag, én bovendien vereisten ze steeds een menselijke experimentator om de data uit te lezen.  Daarop ontwierp de Fransman Georges Charpak in 1968 de multi-wire proportional chamber, bekend als de draadkamer, een variant op de vonkenkamer die we eerder al besproken hebben. Charpak kreeg de Nobelprijs voor natuurkunde in 1992 voor zijn uitvinding.

In de loop van de jaren 1950 groeide het besef dat deeltjes met nog meer snelheid zouden kunnen botsen, als ook het doeldeeltje zou worden versneld. Dat houdt dan wel in dat beide stralen zeer goed moeten worden uitgelijnd om mekaar exact goed te raken. Een eerste model was de ADA (Anello Di Accumulazione), ontwikkeld door een team van Italiaanse natuurkundigen onder leiding van de Oostenrijkse fysicus Bruno Touschek. Deze collider was het eerste toestel dat in staat was om elektronen en positronen op mekaar te laten botsen (in het Engels, to collide). Vermits deze beide deeltjes basisdeeltjes zijn en dus niet meer bestaan uit onderdelen (zoals het proton is opgebouwd uit quarks en gluons), was het makkelijker om bundels elektronen en positronen goed uit te lijnen.

Protonenbundels werden pas in 1971 versneld, in een nieuwe constructie, de Intersecting Storage Rings. Hiermee konden voor de eerste keer protonenbundels in verschillende richtingen afgevuurd worden. Een maand later begon het werk om het Super Proton Synchrotron (SPS) te bouwen, een hadronencollider van 7 km omtrek, 40 m onder de grond, met de Zwitsers-Franse grens er dwars doorheen. Dit synchrotron ging van start in 1976 en produceerde deeltjes met energieën van honderden GeV.  Vanaf 1986 probeerden de onderzoekers met het SPS een quark-gluonplasma te creëren. Dit is een toestand van materie die vermoedelijk in het vroege universum heeft bestaan, wanneer quarks en gluonen als alleenstaande deeltjes bestonden in plaats van als onderdeel van een kerndeeltje binnenin atomen, zoals vandaag. Deze staat kan worden gereproduceerd door de temperatuur of de dichtheid van hadrons te verhogen. De CERN-onderzoekers probeerden in 1986 een dergelijk plasma te creëren door zware atoomkernen te laten botsen in de SPS. Ze hopen dat dit de quarks en gluons in de kerndeeltjes zou vrijmaken en van mekaar scheiden. Het ultieme bewijs werd geleverd tegen het jaar 2000.

Detector UA1 van de Super Proton Synchrotron op het CERN, waarmee de W- en Z-bosons werden ontdekt. 
Bron : SCZenz, Wikipedia, CC BY-SA 3.0

 

De Large Hadron Collider en het Higgsboson

De (voorlopige) kroon op het werk van het CERN is de beroemde Large Hadron Collider (LHC). De eerste plannen en ideeën dateren al van 1984, maar het heeft tot 1994 geduurd voor de bouw van het enorme toestel goedgekeurd werd, en de versneller is uiteindelijk pas in 2009 afgewerkt.

De plaats van de Large Hadron Collider (grote cirkel)
en de Super Proton Synchrotron (kleine cirkel) overheen de Frans-Zwitserse grens. 
Bron: Michiel1972, Zykure en RokerHRO, Wikipedia, CC BY-SA 2.0

 

Eigenlijk is de LHC de laatste stap in een keten van versnellers en colliders, waarbij elke voorgaande stap een deeltjesstraal versnelt en dan doorgeeft aan de volgende versneller. De protonenbron die daarbij gebruikt wordt, is waterstofgas. De eerste stap is de Linac 2, die de protonen versnelt tot 50 MeV en injecteert in de volgende versneller, de Proton Synchrotron Booster. Van daaruit vertrekken de protonen naar het Proton Synchrotron (PS) (25 GeV), het Super Proton Synchrotron (450 GeV) en dan finaal naar de LHC. Bij die laatste overgang wordt de straal protonen in twee gesplitst en in tegengestelde richtingen afgevuurd. Langsheen het traject van de protonen. Er zijn vier detectoren (de ALICE, ATLAS, CMS en de LHCb) te vinden langs waar beide stralen, versneld tot 13 TeV, tot botsing kunnen worden gebracht. Deze detectoren zijn wel een pak complexer dan de gemiddelde vonkenkamer of dradenkamer. De ATLAS, bijvoorbeeld, (wat staat voor A Toroidal LHC Apparatus), is zo groot als een gebouw van zeven verdiepingen hoog.

Om een maximale versnelling te garanderen (en vroegtijdige botsingen te vermijden) wordt het hele traject van de protonen maximaal vacuüm gehouden. De deeltjes zelf worden op koers gehouden door een reeks supergeleidende elektromagneten, die daarvoor met behulp van vloeibaar helium op een temperatuur van -271,3°C gehouden worden (omgerekend is dat 1,85K, een temperatuur die kouder is dan de ruimte). Vlak voor de botsing wordt de bundel stralen nog extra gefocust door een speciale magneet: de deeltjes zijn immers zo klein dat de taak om twee stralen protonen met elkaar te laten botsen even moeilijk is als het afschieten van twee naalden op tien kilometer van elkaar, zodanig dat ze mekaar halverwege raken (zegt het CERN zelf).

Structuur van de LHC (voor details, zie tekst).
Bron: Arpad Horvath, Wikipedia, CC BY-SA 2.5

De LHC werd officieel geopend op 21 oktober 2008. Door verschillende technische problemen werd de eerste echte botsing uitgesteld tot 20 november 2009. Tien dagen later brak de LHC alle energierecords. Langzamerhand begon het CERN met de LHC significante signalen op te vangen van het bestaan van het Higgsboson. Het doorslaggevende bewijs kwam er op 4 juli 2012, toen twee volledig onafhankelijk werkende teams, met twee detectoren (CMS en ATLAS), het bestaan meldden van een voordien onbekend boson, met een massa van 125,3 GeV/c2. Deze vondst leidde meteen tot de Nobelprijs voor natuurkunde voor Englert en Higgs (zoals eerder besproken).

Na opnieuw een periode van herstel en upgrading werd de LHC herstart op 3 juni 2015. De collider kan nu een energie bereiken van 13 TeV. Het duurde daarmee niet lang voor het CERN aankondigde dat het instituut met de LHC een nieuwe klasse deeltjes had ontdekt, de zogeheten pentaquarks.

 

Simulatie van de vorming van een Higgsboson na botsing van twee protonen.
Het Higgsboson vervalt vervolgens in een reeks hadronen en elektronen. 
Bron: CERN, CC BY-SA 3.0

 

De kracht van deeltjesversnellers en colliders heeft daarbij allerminst een plafond bereikt. En dat is maar goed ook, want er liggen heel wat theoretische vragen en hypothesen klaar om te worden beantwoord en bevestigd. De plannen liggen gereed voor een Very Large Hadron Collider, met top-energieën van 100 TeV (en een diameter van 100 km), te bouwen aan het Fermilab (Illinois, USA). CERN denkt aan een nieuwe lineaire versneller, en aan een eigen 100 TeV hadroncollider, de Future Circular Collider.

Tijd om de blik naar de toekomst te werpen: wat schuilt er nog achter het standaardmodel, welke hypothesen leven er bij de theoretici van vandaag en hoe ver zijn we nog van een volledig begrip van de structuur van de materie rondom ons? 

Geplaatst door Geert op 10/08/2017 om 22:21