[Artikel] Cern

[Michel Uphoff]

Op de grens van Frankrijk en Zwitserland, 100 meter onder de grond, bevindt zich het grootste instrument ter wereld, gebouwd om het kleinste in de wereld te bestuderen. CERN is de naam van het beroemde Europees laboratorium voor deeltjesonderzoek, waar ondermeer het Higgs boson is gevonden en antimaterie wordt gemaakt.
 
Dit voorjaar was ik er een weekje op bezoek, en zeer onder de indruk van de schaal, precisie, uitgebreidheid en complexiteit van dit laboratorium en hoop in dit artikel wat van mijn enthousiasme over dit fantastische instrument te kunnen delen.

Wat superlatieven om een beetje een beeld te krijgen van de instrumenten die in Cern zijn opgesteld:

• een 27 kilometer lange ring met 9593 tot bijna het absolute nulpunt gekoelde supergeleidende magneten die 24 ton per stuk wegen
• 4 ondergrondse ruimten waarin een kathedraal zou passen
• enorme 140 megapixel hypersnelle digitale camera's die tot 12,5 miljoen kg wegen en meer staal dan de Eiffeltoren bevatten
• een derde van de wereldvoorraad helium om de instrumenten te koelen tot vlak bij het absolute nulpunt met de grootste koelinstallatie ter wereld
• dat alles is nodig om een werkelijk minieme hoeveelheid waterstofkernen met bijna (maar nooit helemaal) de lichtsnelheid te laten botsen
• de hoogste temperatuur ooit door mensen gemaakt vind je in Cern; in de botsingsgebieden is het 250.000 keer heter dan in de kern van de Zon
• 6500 wetenschappers van 500 universiteiten uit 80 landen werken aan het megaproject mee
• Cern heeft een energieverbruik van 200 miljoen Watt, genoeg voor een stad van 300.000 inwoners
• 10 gigabyte per seconde aan gegenereerde data die door 11.000 servers met 100.000 processorkernen wordt afgehandeld
• een hoeveelheid data zo groot, dat er een speciaal soort netwerk voor werd ontworpen, het netwerk dat nu in de wereld bekend staat als Internet

www 6154 keer bekeken

Een bordje in een van de vele gangen van Cern herinnert aan de geboorteplaats van het World Wide Web. Bron: M.U.

En dat alles is nodig om onderzoek te doen naar een toestand van energie en materie die zo buitengewoon is, dat we tot 13,8 miljard jaar terug moeten gaan, tot een fractie van een fractie van een seconde na de oerknal. Terug naar een moment waarop het heelal nog in helemaal niets leek op hoe wij het nu kennen; naar een heelal zonder sterren, planeten en zelfs zonder atomen. Een heelal waarin de bouwstenen van de bouwstenen van alle materie die er nu bestaat gevangen waren in een zinderend hete bal van razende quarks, gluonen en exotische deeltjes.

In deze reeks artikeltjes een overzicht van de instrumenten, hun globale werking en wat uitstapjes naar de achterliggende natuurkunde. Het volledig beschrijven van het meest complexe instrument ter wereld zou snel een forse bibliotheek vereisen, dus verwacht in dit overzichtsartikel absoluut geen volledigheid of uitgebreide toelichtingen op de precieze werking en de achterliggende fysica.

[Michel Uphoff]

Wat er aan de grote deeltjesversneller vooraf gaat

Laten we letterlijk beginnen aan het begin. Aan het begin van het grootste instrument van de wereld staat een - ik kan het echt niet beter zeggen - lullig flesje waterstofgas met een draaiknopje en een drukregelaar.

waterstof injectie 6145 keer bekeken

Het waterstofflesje met het duoplasmatron.
Dit is een kopie die voor de kooi van Faraday staat waarin het flesje zich werkelijk bevindt. Bron: M.U.

Het waterstof wordt door een doseersysteem dat pufjes van 100 microseconden lang doorlaat in minieme hoeveelheden uit het flesje vrijgelaten en komt in het startpunt van de versneller terecht. Vanaf hier is alles onder hoog vacuüm. Ook hier weer superlatieven; de buizen van de instrumenten vormen tezamen het grootste vacuümsysteem ter wereld en totaal meer dan 100 km buis wordt in Cern op een extreem diep vacuüm gehouden, de druk is ongeveer gelijk aan die in de ruimte, zo'n 10 biljoen keer minder dan de atmosferische druk.

Het Duoplasmatron

Het is de bedoeling dat er later protonen met hoge snelheden tegen elkaar botsen, en waterstof is het eenvoudigste atoom met in de kern slechts een proton en in de schil een elektron. Het proton heeft een positieve lading, en het elektron een negatieve. Beide ladingen heffen elkaar op, zodat het waterstof neutraal geladen is, en we er zo niets mee kunnen. Eerst moeten de elektronen verwijderd worden zodat we de protonen kunnen gebruiken als botsingsmunitie. Dat verwijderen gebeurt in het Duoplasmatron, het glimmende stalen apparaat met de vorm van een hoed op de afbeelding hierboven:

schema_protonenquelle 6145 keer bekeken

Schema Duoplasmatron. Bron: Cern

Dit instrument bestaat uit twee helften, links als elektronenbron een gloeikathode. Het materiaal van de kathode wordt sterk verhit waardoor er elektronen uit het oppervlak van het hete materiaal wegschieten, de speciale vorm van de kathode bundelt de uitgestoten elektronen, zodat ze zich rechts van de kathode verzamelen. De kathode is aan de minpool van een spanningsbron gelegd, terwijl in het midden van de tekening de blauwe anodeplaat aan de pluspool van die spanning ligt. Het is gelijk aan de werking van de beeldbuis in onze oude televisies, een kathodestraalbuis. De elektronen zijn negatief geladen en zullen dus sterk worden aangetrokken door de positieve anode en er met hoge snelheid naar toe schieten. Vlak voor de anodeplaat wordt het waterstofgas door deze straal elektronen geblazen.

De elektronen bombarderen de waterstofatomen, en bij die botsingen worden de elektronen van de waterstofkernen losgeslagen (het waterstof wordt geïoniseerd). Nu hebben we twee soorten losse deeltjes, positieve protonen en negatieve elektronen, en kan de tweede trap van het Duoplasmatron zijn werk gaan doen. Door een gaatje in de anodeplaat kunnen de protonen in de extractiekamer rechts terecht komen. Die kamer heeft geheel rechts ook een plaat, de extractiekathode, en deze staat onder een sterk negatieve spanning (- 90.000 volt, vandaar dat voor de veiligheid het waterstofflesje en het Duoplasmatron in een kooi van Faraday zitten). De negatieve elektronen worden door die negatieve plaat afgestoten, en komen nauwelijks door de opening van de anodeplaat heen en de fractie die dat wel doet wordt weer aangetrokken door de anodeplaat en verdwijnt in de stroomkring. Maar de positieve protonen worden juist sterk door die negatief geladen plaat aangetrokken, krijgen daardoor een grote snelheid en schieten naar rechts uit het Duoplasmatron.

Op dit moment hebben de protonen al een aanmerkelijke snelheid, ongeveer 4000 km/s (90000 eV per proton, 1,3% van de lichtsnelheid) en de stroom van protonen komt aan bij de tweede fase, de Radio Frequency Quadrupole (RFQ):

De Radio Frequency Quadrupole (RFQ)

RFQ 6142 keer bekeken

De RFQ van Cern. Bron: Cern

Dit instrument is nog geen 2 meter lang, en heeft drie taken. Het is van groot belang de continue stroom van protonen uit het Duoplasmatron onder te verdelen in pakketjes. Zie het als een cirkelvormige spoorweg helemaal vol met wagons; Iedere keer als er een wagon positieve protonen in de buurt komt, dan kan je dat karretje met een negatief veld naar je toe trekken, en zodra het karretje voorbij is, keer je de polariteit om, zodat nu het karretje een duw krijgt. Daarvoor is het dus wel nodig om de protonen in groepjes (bunches) te verdelen, zodat tussen de bunches de polariteit van de magneten verwisseld kan worden.

Met dat principe werken de ringversnellers waar we verderop kennis me gaan maken, ze trekken en duwen met steeds sneller wisselende elektromagnetisch velden aan afzonderlijke wolkjes protonen en jagen zo de snelheid van de pakketjes steeds verder op. Het is dus erg belangrijk dat er even grote wolkjes gemaakt worden die onderling een gelijke afstand hebben zodat er, gesynchroniseerd met de frequentie waarin de wolkjes voorbij komen, precies op tijd een ruk of een duw gegeven wordt aan de protonen in zo'n pakketje. Dat onderverdelen in pakketjes is de 1e taak van de RFQ.

Het is in principe een quadrupole magneet (4 polig, twee horizontale polen, twee verticale-). De stroom protonen schiet tussen de twee magneetparen door, maar de polen hebben een gegolfd oppervlak:

RFQ schemaatje 6142 keer bekeken

Schema van een polenpaar van de RFQ en de bundeling van groepjes protonen. Bron: M.U.

Door dit gegolfde oppervlak ontstaat er tussen de toppen van de golven een sterker elektromagnetisch veld dan tussen de dalen. Zijn de magneetpolen beiden positief dan worden de protonen links voor de toppen door dit sterke afstotende veld tussen de toppen afgeremd en zijn ze de top net voorbij, weer versneld waardoor ze in groepen gebundeld worden, wel wat vergelijkbaar met het harmonica-effect in een verkeersfile. Hier een opengewerkt deel van de RFQ met de vier polen en het gegolfde oppervlak:

RFQ binnenwerk 6142 keer bekeken

Binnenwerk RFQ met de horizontale en verticale polenparen met gegolfd oppervlak. Bron: Cern

De tweede taak van de RFQ is focusseren. De protonen hebben een positieve lading en stoten elkaar dus af. Zou hier niets aan gedaan worden, dan zouden de protonen na een korte reis al tegen de wanden van de vacuümbuis aanslaan. Door afwisselend beide poolparen positief te maken wordt het wolkje protonen een aantal keren horizontaal en verticaal ingedrukt, gekneed als het ware, tot de bunches zoals ze worden genoemd de vorm van een naald hebben.

De derde taak van de RFQ is het versnellen van deze naaldvormige protonenwolkjes door, zoals hierboven met de treinwagons toegelicht, telkens voor en na zo'n naaldje de spanning om te wisselen. Zie de animatie hieronder. Zo verlaten uiteindelijk 6 naaldjes protonen met gelijke onderlinge afstand en een energie van 750.000 eV per proton de RFQ om met een snelheid van 12.500 km/s (4% van de lichtsnelheid) in bosjes van zes aan de eerste grotere versneller, de Linac2, te worden afgeleverd.

De Lineair Accelerator 2 (Linac2)

Linac2 is de laatste lineaire versneller (LINeair ACceleration, versnelling in een rechte lijn). Het is in principe een grote buis van 30 meter lang met een groot aantal holle electroden. Met een hoogfrequente wisselspanning worden deze elektroden zeer snel afwisselend gepolariseerd waardoor de 6 protonnaaldjes telkens juist op tijd aangetrokken en afgestoten worden en steeds sneller door de holten in de elektroden schieten.

linacani 6141 keer bekeken

Animatie van lineaire protonversnelling. Bron: Cern

linac2 6140 keer bekeken

linac2 elektroden 6140 keer bekeken

Links: Linac2. Op de voorgrond is de RFQ zichtbaar. Rechts: het inwendige van Linac2 met de holle elektroden. Bron: Cern

Wanneer de naaldjes Linac2 verlaten hebben de protonen met 50 miljoen elektronvolt (50 MeV) al een forse energie en bijgevolg hoge snelheid, zo'n 93.000 km/s dus ongeveer 31% van de lichtsnelheid. De 6 protonenbundeltjes worden door Linac2 aan de eerste ringversneller, de Proton Synchrotron Booster (PSB) afgeleverd.

Over deze en de er op volgende gebruikte ringversnellers in het volgende artikeltje meer.

[Michel Uphoff]

De ringversnellers

Injectie

Linac2 injectiepunt in PSB 6141 keer bekeken

Het injectiepunt van Linac2 in de PSB. Bron: Cern
De rechte baan van de zes protonnaaldjes uit Linac2 wordt met behulp van een aantal 'septummagneten' omgebogen en de naaldjes worden geïnjecteerd in de eerste ringvormige versneller, de Proton Synchrotron Booster (PSB). Daar zorgen twee 'kickermagneten' ervoor dat de naaldjes keurig op de raaklijn in het centrum van de buis van de ringversneller aankomen.

injectie 6141 keer bekeken

Animatie van de injectie. Bron: Cern
 

kicker 6140 keer bekeken

septum 6140 keer bekeken

Een kickermagneet (links) heeft slechts een wikkeling, en wordt geactiveerd door de ontlading van een zware condensator. Een septummagneet (rechts) wordt met zeer hoge stromen gepulst (veld 1.5T) en heeft dezelfde functie als een wissel bij een treinspoor.
 
De Proton Synchroton Booster (PSB)

In werkelijkheid ligt het iets complexer dan de injectie van protonen in een ring. De PSB heeft namelijk 4 boven elkaar liggende ringen, die m.b.v. de septum- en kickermagneten beurtelings gevuld worden met de naaldenpakketjes. Op de foto zijn de 4 buizen goed zichtbaar.

psb 6140 keer bekeken

De Proton Synchrotron Booster (PSB). Bron: Cern

 

Omdat er hier voor het eerst sprake is van een ring, komen er wat nieuwe concepten bij kijken:

De protonen willen natuurlijk gewoon rechtdoor schieten, en dus zal de straal continue omgebogen moeten worden zodat ze in het centrum van de vacuümbuizen blijft. Daarvoor dienen 42 dipoolmagneten waarvan het veld zo is georiënteerd (verticaal b-veld) dat de Lorentzkracht de rechte baan van de protonen beïnvloedt en ze horizontaal afbuigt. Zo worden de protonen door veel dipolen achter elkaar continue in een cirkelbaan gedwongen. Omdat gedurende het verblijf in de booster de snelheid van de protonen toeneemt, moet het elektromagnetische veld van de dipool continue sterker worden teneinde de naaldjes netjes in het centrum van de buizen te houden. Er is een complex systeem nodig om dit zo nauwkeurig te regelen. Samen met de 42 dipolen zijn ook 48 quadrupole magneten voor de focussering van de naaldjes opgesteld; ze vormen groepjes van 3 stuks.
 

magneetveld dipool 6139 keer bekeken

De velden van een dipoolmagneet zijn zo georiënteerd dat de protonen afgebogen worden.
Een aantal dipolen achter elkaar kunnen zo een cirkelbaan van protonen bewerkstelligen. 

 

De PSB heeft een diameter van 50 meter, en bevat dus 4 buizen van ongeveer 160 meter lang. In de PSB worden de deeltjes uit de Linac2 versneld tot 91% van de lichtsnelheid (van 93.000 tot 273.000 km/s). Hoewel dit in km/s de grootste snelheidswinst oplevert van alle versnellers in Cern, is de energietoename per proton nog bescheiden (van 50 MeV tot 1,4 Gev). Later kom ik hierop terug.

 

Ook de versnelling van de deeltjes gebeurt nu op een andere manier. De protonen maken op hun topsnelheid (die in 1,2 seconden wordt bereikt) in de PSB ruim 1,7 miljoen rondjes per seconde, en het afwisselend ompolen van sterke velden is bij deze hoge frequenties een probleem. Er wordt in plaats daarvan gebruik gemaakt van resonantie. Zoals in een orgelpijp staande geluidsgolven resoneren in een ruimte die is afgestemd op de golflengte van het geluid en zo voor versterking zorgen, zo resoneren hier elkaar versterkende elektromagnetische golven in een op de juiste frequentie afgestelde metalen resonantiekamer. De protonen worden door het resonerende veld gestuurd, en als een surfer op een golf versneld en voortgestuwd naar de volgende resonantiekamer. Protonen die de snel of te laat aankomen zullen door het veld afgeremd c.q. versneld worden, zodat de protonen groepjes (de bekende naaldvormige bunches) blijven vormen.
 

Verborgen inhoud

 
Niet echt passend in dit artikel, maar toch aardig om te vermelden:
 
Hieronder een foto van een roodkoperen resonantiekamer uit de voorganger van de grote versneller, de LEP. Hij zou in een museum voor moderne kunst niet misstaan, en maakt deel uit van een permanente tentoonstelling bij/in Cern. Het verhaal doet de ronde dat de exacte resonantiefrequentie van deze oude kamers nogal eens een tikje uit de pas liep. Er was destijds een ingenieur die zo ongeveer vergroeid was met deze roodkoperen schoonheden, en er werkelijk alles van wist. Was de frequentie weer eens wat uit de pas, dan bestudeerde hij de meetgegevens, mompelde wat over 'parasitaire resonanties' en pakte een grote rubberen hamer uit zijn bureaulade. Via een ladder klom hij naar de grote bol en gaf met de hamer een forse dreun op de juiste plek. Frequentieprobleem gefikst... O:)
 

2016 Cern (105) 6140 keer bekeken

Oude resonantiekamer. Bron: M.U. Klik voor grotere weergave.
 
 

 

Een enorm voordeel van een ringversneller is dat een deeltje talloze rondjes in de ring af kan leggen en iedere keer een kick, dus toename van kinetische energie, krijgt van een resonantiekamer. Een lineaire versneller zou enorm lang moeten zijn om hetzelfde te bereiken. Ringversnellers zijn echter niet geschikt voor lagere snelheden, vandaar dat de instrumenten voorafgaand aan de PSB lineair zijn.
Ringversnellers hebben echter als nadeel, dat de deeltjes continue afgebogen moeten worden teneinde in de vacuümbuis te blijven, en dat betekent bij toenemende snelheden óf sterkere afbuigmagneten (met bijbehorend bouwkosten en energieverbruik) of een grotere diameter van de cirkel, of een combinatie hiervan. Daarnaast stralen ringversnellers nogal, ze zenden door de versnelling van deeltjes in een magneetveld de zogenoemde synchrotronstraling uit, die een groot frequentiebereik omvat, o.a. in röntgen. 

 

Na ongeveer 2 miljoen 'optaters' van de golffronten worden de protonen nu met een energie van 1,4 GeV d.m.v. septum- en kickermagneten richting de volgende ringversneller, de Proton Synchrotron (PS) gezonden. 
 
De Proton Synchrotron (PS)

Proton Synchrotron 6140 keer bekeken

Stukje van de Proton Synchrotron (PS). Bron: Cern

 

Weer een stap groter, 200 meter diameter dus 628 meter lengte. Meer snelheid; van 91% naar 99,93% van de lichtsnelheid. En dus weer meer energie, van 1,4 GeV naar 25 GeV.  Ook de PS werkt weer met dipoolmagneten om de protonen in hun baan te dwingen en met resonantiekamers om de snelheid op te voeren.

 

Een zeer belangrijke taak van de PS is de herverdeling van de 6 protonenpakketjes. Deze worden toegelaten in een bundel van 5 stuks, een pauze en daarna het laatste pakketje. Vervolgens wordt de frequentie van de resonantiekamers verdriedubbeld (van 3,06 MHz naar 9,18 MHz) , waardoor de pakketjes in 3 stuks gesplitst worden, en er dus 15 + 3 kleinere pakketjes overschieten. Hierna wordt de RF nog twee keer verdubbeld zodat bij een eindfrequentie van 40 MHz er 4 * 15 en 4 * 3 = 60 + 12, in totaal 72 pakketjes protonen ontstaan.

 

bunch splitting 2 6140 keer bekeken

Schema bunch splitting. Bron: Cern. Klik voor grotere weergave.

 

Ieder pakketje bevat nu  1,15.10¹¹ protonen. Ieder pakketje is nu 12 nanoseconden lang, en door verhoging van de spanning wordt die lengte ingekort tot 4 nanoseconden. De onderbreking tussen de pakketgroepjes is nodig om de kickermagneten de kans te geven volledig te activeren tijdens deze korte deeltjespauze zodat de noodzakelijke afbuiging richting Super Proton Synchrotron goed verloopt. 
 
De Super Proton Synchrotron (SPS)

 

Super Proton Synchrotron 6140 keer bekeken

De Super Proton Synchrotron (SPS). Bron: Cern

 

Dit was tot eind 2008 de grootste versneller van Cern, waarmee (onder anderen door het werk van Nobelprijswinnaar Simon van der Meer) het W en Z boson gevonden werd. Nu functioneert de SPS als voorlaatste trap. Deze ringversneller werkt nog steeds op kamertemperatuur en bestaat uit een ring van ruim 6900 meter omtrek met daaromheen 744 dipoolmagneten (voor de cirkelbaan) en 216 quadrupolen (om de protonennaaldjes slank te 'kneden'). De SPS ontvangt 3 ladingen van 72 pakketjes van de PS. Deze 216 pakketjes worden in 21,6 seconden m.b.v. resonantiekamers op een snelheid van 299.792 km/s gebracht, waarbij ieder proton een energie van 450 GeV krijgt. Een energietoename van maar liefst 425 GeV en een snelheidstoename van slechts 209 km/s (het is nu heel duidelijk dat de lichtsnelheid genaderd wordt).

 

De pakketjes worden vervolgens uitgestoten, de ene lading van 216 pakketjes via de TI2 lijn van septum- en kickermagneten met de klok mee, en de volgende lading via de TI8 lijn tegen de klok in. En dan, eindelijk, na een hele reeks versnellers gaan de protonen de Large Hadron Collider in.

 

Daarover in het volgende artikeltje meer.

[Michel Uphoff]

De Large Hadron Collider (LHC)

 

De laatste trap van het versnellersysteem van Cern is veruit de grootste versneller ter wereld. Het hart bestaat uit twee hoog vacuüm buizen van bijna 27 kilometer lengte, ingebed in enorm sterke magneten (tot 8,3 Tesla) en gekoeld tot 1,9 K (-271.3 °C). In feite is het een dubbele versneller, want er zijn twee ringen.

 

Waarom moet dit apparaat eigenlijk zo groot en zo koud zijn?

Het antwoord daarop is dat we een dergelijke versneller op dit moment niet kleiner kunnen bouwen, en dat heeft alles te maken met de maximale veldsterkte van de dipoolmagneten. Om protonen met een energie van 7 TeV (7000 miljard elektronvolt) in een cirkelbaan te dwingen is een magnetisch veld nodig. De sterkste grote magneten die er gebouwd konden worden hadden een veldsterkte van ruim 8 Tesla, en wat rekenwerk levert dan op, dat deze magneten over hun lengte van bijna 15 meter zulke hoogenergetische protonen slechts over een geringe hoek (iets minder dan 1/3 graad) kunnen afbuigen. Voor een complete cirkel zijn er dan maar liefst 1232 magneten, met ongeveer 18 km totaal lengte nodig. De LHC is echter geen perfecte cirkel omgeven door louter magneten, er zijn grote rechte stukken zonder dipoolmagneten nodig voor de botsingsproeven, voor de resonantiekamers en voor de focusseringsmagneten en dergelijke. De ring bestaat uit 8 stukken cirkelboog en 8 rechte stukken. Alles tezamen levert dan die 27 km omtrek op.

 

Magneten van 15 meter lang met een veldsterkte van 8 Tesla kunnen geen normale elektromagneten op kamertemperatuur zijn. De benodigde zeer hoge stroomsterkte (ongeveer 12.000 ampère) levert door de weerstand van het koper in de spoelen een enorme warmteontwikkeling op, en de spoelen zouden in een mum van tijd verbranden.

Met magneetspoelen op kamertempratuur zou er in principe ook een LHC gebouwd kunnen worden, maar dan met beduidend minder veldsterkte per magneet. En dat houdt dan minder afbuiging per magneet in, en dus meer magneten voor  360 graden buiging en dus een nóg grotere ring. Berekend is dat een LHC zonder supergekoelde magneten een omtrek van 140 km zou moeten hebben. Het energieverbruik zou bij zo'n grote en inefficiënte installatie 30 tot 40 keer hoger zijn dan de huidige toch al indrukwekkende energieconsumptie. De toch al reusachtige dipoolmagneten (per stuk 24 ton zwaar) zouden bij gebruik van koper tot wel 100 keer zo zwaar moeten worden. In zo'n versneller zou meer koper gebruikt moeten worden dan alle kopermijnen in wereld in een jaar kunnen produceren. Een dergelijke installatie bleek dus heel veel te duur en waarschijnlijk onmogelijk te bouwen.

 

Superkoeling, supergeleiding, supervloeibaar

Superkoeling en supergeleiding maakten het echter wel mogelijk de benodigde magneten te bouwen. Door een speciale legering van Niobium en Titanium te gebruiken voor de spoelen, en deze te koelen tot minder dan 10 K wordt de legering supergeleidend, alle weerstand (en dus warmteontwikkeling) valt weg. De Nb-Ti draden worden gemaakt uit een vlechtwerk van extreem dunne draadjes (vanwege het skin-effect), en soms in zuiver koper ingebed. De weerstand van het koper is vergeleken met die van het Nb-Ti zo groot dat het bijna als een isolator kan worden beschouwd.

 

Superconducting%20coils 6139 keer bekeken

Links: Een koperkabel van 88 cm² kan een stroomsterkte van 12.500 Ampère verdragen.

Links: Deze 0,4 cm² strip van Nb-Ti 'vezeltjes' kan - mits supergekoeld - dezelfde stroomsterkte aan.
Bron: Cern

 

In de LHC wordt er nog dieper gekoeld, tot 1,9 K. De reden hiervoor is een vreemde eigenschap van helium. Als normaal helium onder het zogenoemde Lambdapunt (2,17 K) wordt gekoeld, dan wordt het supervloeibaar helium 2. Dit is een zeer vreemde toestand waarin de viscositeit nul is, en de warmtegeleiding en soortelijke warmte plotseling enorm omhoog schieten (in feite is het een Bose-Einstein condensaat, geregeerd door de vreemde wetten van de kwantummechanica). Supervloeibaar helium geleidt warmte 30 keer beter dan zuiver koper en kan extreem veel warmte energie per volume-eenheid verplaatsen. Deze eigenschap komt zeer van pas bij het kouder dan het heelal koelen van de LHC. Tegelijk is het perfect afdichten van de tientallen kilometers buizen een gigantische precisieklus, want supervloeibaar helium kruipt letterlijk door het kleinst mogelijke gaatje.

 

Large hadron Collider 6139 keer bekeken

Een klein stukje van de Large Hadron Collider (LHC). Bron: Cern.

 

LHC, globale werking

Via de inmiddels bekende septum en kickermagneten ontvangt de LHC via T2 en T8 per buis 13 ladingen protonpakketjes van de SPS, zodat na 26 ladingen iedere buis gevuld is met 2808 pakketjes, die 11000 keer per seconde door de ring van 27 kilometer heen razen. In de ene buis met de klok mee en in de andere tegen de klok in.

Om iedere ring zijn 8 resonantiekamers aangebracht die de pakketjes bij iedere passage een duw geven. Na ongeveer 20 minuten is de snelheid van de protonpakketjes opgevoerd tot 299.792.456 meter per seconde (99,9999991% van de lichtsnelheid), en dat is slechts 597 meter per seconde meer dan de snelheid bij het verlaten van de SPS.

Maar de energie van de protonen is, nu de lichtsnelheid zo dicht wordt genaderd wel met een factor 15,5 toegenomen tot 7 TeV. Dus terwijl de snelheid vrijwel niet toegenomen is, is de kinetische energie dat wel zeer aanmerkelijk. Dit is dan ook de reden waarom deeltjesfysici veel liever spreken van de energie van een deeltje dan van de snelheid, want dit laatste zegt bij het naderen van de lichtsnelheid steeds minder. Wat later kom ik hier nog op terug.

 
Magneten, magneten
De dipole magneten zijn ongekende staaltjes van engineering en kosten een half miljoen euro per stuk. Zonder op alle details in te gaan: Miljoenen kilometers superdunne Nb-Ti draden, ingebed in koper vormen de supergeleidende spoelen. Omdat de stroomrichting in de spoelen aan weerzijden van de vacuümbuizen tegengesteld is, drukken beide spoelhelften elkaar weg. Bij een stroomsterkte van 12.000 Ampère is de kracht waarmee dat gebeurt te berekenen op ongeveer 2 miljoen Newton per meter, ruwweg 30 mega Newton per dipool. Om die enorme krachten op te vangen is er rond de magneetspoelen een zeer sterke kraag van roestvast staal aangebracht. Om die kraag volgt een tweede kraag van ijzer. Dit geheel wordt gekoeld met helium van 1,9 K en moet dus zeer goed geïsoleerd worden d.m.v. vacuüm en isolatieschermen. In het magnetisch veld van een dipoolmagneet is bij maximale belasting van de LHC maar liefst 7 megajoule (zo'n 2 kg TNT) aan energie opgeslagen, als dat in een keer door bijvoorbeeld een breuk of door wegvallen van de supergeleiding vrij komt, wordt de dipool zeker vernietigd. Hier een doorsnede van zo'n LHC dipool:
 

Cross-Section-of-an-LHC-Dipole-in-the-CERN-Tunnel 6139 keer bekeken

Doorsnede van een dipole magneet in de LHC. Klik voor grote weergave. Bron: Cern
 

b-veld 6140 keer bekeken

Lorentz force 6140 keer bekeken

Het b-veld en de Lorentzkracht van beide dipoolvelden in een afbuigmagneet van de LHC. Bron: Cern
 
In totaal zijn er rond de LHC 1232 dipole magneten en 858 quadrupole magneten opgesteld, waarbij de laatste dienen voor het telkens blijven terug 'kneden' van de protonnaaldjes die door de gelijke lading van de protonen anders al heel snel tot wolkjes zouden uitdijen en de wanden van de buis (met een diameter van slechts 5,6 cm) zouden raken en waarschijnlijk vernietigen. Op 4 plaatsen in de ring kunnen de protonnaaldjes door kickermagneten zo afgebogen worden dat ze in dezelfde buis terecht komen en frontaal kunnen botsen, en dat is bepaald geen eenvoudige klus:
115 miljard protonen per naaldje lijkt een groot getal, maar de kans dat er protonen frontaal botsen als twee van deze pakketjes elkaar tegen komen is zeer klein. Dus moeten de naaldjes zo dun mogelijk worden, zo veel mogelijk protonen in een zo klein mogelijk frontaal oppervlak bevatten. Dan zijn quadrupole magneten alleen niet voldoende. 688 sextapole, 168 octapole en een paar decapole magneten kneden met hun fijnmaziger veld de naaldjes steeds dunner en compacter. In totaal zijn er maar liefst 4800 magneten betrokken bij het ombuigen en focusseren van de naaldjes in de LHC.
 

Afdalen dipool 6139 keer bekeken

quadrupolmodell 6139 keer bekeken

Links: Een dipool wordt door de 100 meter diepe schacht naar de LHC ring getakeld. Rechts: Model van een quadrupole magneet. Bron: Cern
 

sextupol 6138 keer bekeken

oktupol 6138 keer bekeken

Een sextupole magneet en octapole magneten in opslag. Bron: Cern
 
Precies mikken
De protonnaaldjes hebben na al dit 'kneedwerk' vlak voor de frontale botsing een lengte van ongeveer 10 cm en zijn slechts 0,02 mm dik. Om de kans op botsingen tussen de protonen zo groot mogelijk te maken is het natuurlijk van belang dat de naaldjes elkaar zoveel als mogelijk over hun volle lengte raken, en dus onderling een zeer kleine hoek hebben. Daarom worden de naaldjes al op enige honderden meters voor een van de 4 botsingskruispunten afgebogen (de botsingshoek is ongeveer 1 boogminuut).
Het botsen van zulke dunne protonnaaldjes is te vergelijken met het precies frontaal richten van twee van oma's naainaalden op 10 km afstand. Het is dus van belang de positie van de protonnaalden in de buis zeer nauwkeurig vast te stellen en m.b.v. magneten te corrigeren. Het meten van de posities van de naaldjes gebeurt m.b.v. 1056 Beam Positionings Monitors, die op 5 µm nauwkeurig de positie van de naaldjes in het hart van de buis kunnen vaststellen.
 

Beam Positioning Monitor 6138 keer bekeken

Een Beam Positioning Monitor. De door het kanaaltje schietende protonen induceren een kleine spanning die door sensoren wordt gemeten. Op basis van de meetwaarden kan zo de positie van het protonennaaldje nauwkeurig worden vastgesteld. Bron: Cern.
 
Botsen
Bij een van de 4 Interaction Points (IP) komen de protonnaaldjes met elkaar in botsing. Hoewel er per naaldje 115 miljard protonen aanwezig zijn, is het aantal botsingen door de kleine afmetingen van de protonen zeer gering, slechts ongeveer 20 protonen raken elkaar en zullen door de enorme botsingsenergie uiteen spatten in hun samenstellende deeltjes. Maar met 11.000 omlopen van 2808 naaldjes per seconde loopt het aantal door de grote detectoren te registeren botsingen zeer snel op. Er zijn ruwweg 600 miljoen botsingen per seconde, waarbij iedere botsing kan leiden tot een douche aan fundamentele deeltjes die alle kanten opschieten, en van ieder van deze deeltjes moeten de parameters worden vastgelegd. Dat leidt tot een ongelofelijke hoeveelheid data.
 
En opruimen
Vrijwel alle protonen vervolgen na de botsing min of meer ongehinderd hun weg door de versneller, maar een klein aantal wijkt nu zoveel van de baan af dat de focusseringsmagneten ze niet meer terug in het naaldje kunnen persen. Om deze reden is er over de hele lengte van de buizen voorzien in 108 zogenoemde collimators, te vergelijken met het diafragma van een fototoestel. Deze ringen waarvan de opening kan worden vergroot of verkleind zijn gemaakt van wolfraam met grafiet en absorberen de te veel uit de pas geraakte protonen. Protonen kunnen ook van de gebaande weg afwijken door botsingen met de paar moleculen lucht die er in het hoog vacuüm nog aanwezig zijn, en ook dan worden ze geabsorbeerd door de collimators.
 
Na ongeveer 10 uur in bedrijf te zijn geweest hebben er vele biljoenen botsingen in een of meer van de vier IP's van de LHC plaatsgevonden en de onderdelen van de protonen zijn uit de buis richting de grote detectoren geschoten, tevens zijn door de collimators heel wat rondzwervende protonen afgevangen. Hierdoor neemt de deeltjesdichtheid in de naaldjes te veel af en wordt het tijd afscheid te nemen van deze lading. Twee extreem snelle kickermagneten worden binnen 4 µs geactiveerd en sturen de protonennaaldjes door twee 750 meter lange buizen richting beide Beam Dumps. Binnen een milliseconde wordt zo de gehele inhoud van beide buizen in de dumps geschoten. 
 
De Beam Dumps zijn locaties waar je beslist niet wilt zijn, ondermeer daarover in het volgende artikeltje meer.

[Michel Uphoff]

Overzicht

Misschien duizelt je het nu een beetje van al die versnellers, snelheden en energieniveaus. Daarom hier eerst nog een beknopt overzicht van de belangrijkste onderdelen en parameters:

Naam	hoofdtaken	buislengte meter	eindenergie elektronvolt	eindsnelheid m per s	snelheidswinst m per s	eindsnelheid percentage van c	gamma
Injector	ioniseren, versnellen	0,5	90.000	4.000.000	4.000.000	0,013	1,0
RFQ	partitioneren, versnellen, focusseren	2	750.000	12.500.000	8.500.000	4	1,0
Linac2	versnellen	30	50.000.000	93.000.000	84.500.000	31	1,1
PSB	versnellen	160	1.400.000.000	273.000.000	180.000.000	91	2,4
PS	versnellen, partitioneren	628	25.000.000.000	299.582.603	26.582.603	99,93	26,7
SPS	versnellen	6.912	450.000.000.000	299.791.858	209.255	99,9998	500,0
LHC	versnellen, focusseren, botsen	26.659	7.000.000.000.000	299.792.455	597	99,9999991	7454,0

E=mc² en Elektronvolt

Einstein vertelt ons met deze (vereenvoudigde) formule dat energie en massa twee kanten van dezelfde medaille zijn, en via de omrekeningsfactor c²(ruwweg 9.10¹⁶ m²/s²) in elkaar om te zetten zijn. E is de energie in Joule, m de massa in kg en c de lichtsnelheid in m/s door de ruimte in vacuüm.

Zo is de energie-inhoud van een kg materie dus gelijk aan ruwweg 9.10¹⁶ Joule (een Joule is een Watt gedurende 1 seconde). M.a.w. zouden we een kilo materie (maakt niet uit wat) helemaal om kunnen zetten in energie, dan krijgen we ruwweg 9.10¹⁶ / 3600 = 25.000.000.000.000 Wattuur oftewel 25 Terawattuur. Slechts 34 kg materie geheel in energie omzetten is genoeg om alles in Nederland een jaar lang van de benodigde energie te voorzien.

De maten waarmee wij gewend zijn te meten; kg voor massa en Joule voor energie zijn onhandig groot voor deeltjesfysici. Zo weegt een proton 1,673 x 10⁻²⁷ kg, een onpraktisch getal. Hetzelfde gaat op voor energie; een Joule is een onhandig grote maat voor de energie van deeltjes.

Een veel handiger maat is de elektronvolt (eV). Een eV is de toename in kinetische energie van een deeltje dat in vacuüm door een elektrisch veld van 1 volt reist, en dat levert een minieme energie op: 1 eV = 1,602 × 10^-19 Joule.

Aangezien massa en energie in elkaar uit te drukken zijn, kun je een eV ook een massa toekennen door eV/c² uit te rekenen. Een eV is (1,602 × 10^-19/ 9.10¹⁶) = 1,783 × 10^-36 kg. Met de maat elektronvolt kunnen we dus zowel de energie als de massa van een deeltje beschrijven.

Een proton bijvoorbeeld, heeft in rust een energie-equivalent van 1,673 × 10⁻²⁷ kg / 1,783 × 10^-36 kg/eV = 938.000.000 eV, oftewel 938 MeV. En de rustmassa van een elektron is ongeveer 0,511 MeV. Het proton is in rust dus bijna 1900 keer zwaarder.

Omdat we bij deeltjesversnellers met enorme snelheden te maken hebben, is het de bewegingsenergie (kinetische energie) die heel belangrijk wordt, en die energie kan dus worden uitgedrukt in eV. In de tabel hierboven kun je de energie van een proton per versneller aflezen. De LHC levert dus protonen af met een energie van 7.000.000.000.000 eV oftewel 7 TeV (Tera=10¹²).

Gamma (Lorentzfactor)

De meesten onder ons kennen de klassieke (Newton) formule voor de kinetische energie van een massa wel: E_k=0,5mv² .

Zo zou je kinetische energie van een proton in de LHC (zie de tabel) kunnen berekenen met 0,5 * 1,673 x 10⁻²⁷ kg  * (299.792.455 m/s)²= 7,518 x 10^-11 kgm²/s²(Joule), oftewel 469.200.000 eV (0,000469 TeV). Maar dat is maar liefst 15.000 keer minder dan de 7 TeV die in de tabel staat. Hier klopt dus iets niet.

De wetten van Newton gaan niet meer op als we het over enorme snelheden hebben. De relativiteitstheorie van Einstein leert ons dat bij zeer hoge snelheden er relativistische effecten optreden. Een t.o.v. ons snel reizende klok loopt langzamer dan de onze, de lengte van een voorwerp krimpt in de bewegingsrichting, en massa's nemen relatief t.o.v. ons toe. Dat doen ze allemaal met dezelfde zogenoemde Lorentzfactor, waarvoor de Griekse letter gamma (γ) wordt gebruikt. Wat geldt voor tijddilatatie en lengtecontractie geldt ook voor relativistische massa. Er kan bij een bepaalde snelheid maar een waarde voor gamma zijn die exact voor alle drie de verschijnselen geldt, dat zit in de formules besloten. Vind je de juiste waarde van gamma bij een bepaalde snelheid op grond van metingen aan bijvoorbeeld de tijddilatatie, dan geldt dezelfde waarde voor de realtieve massatoename, of andersom.

Er verschijnen op dit forum weleens topics van mensen die de relativiteitstheorie in twijfel trekken en vaak wordt dan gamma in twijfel getrokken; krimpen voorwerpen nu wel echt met gamma in de bewegingsrichting? Lopen klokken werkelijk met de factor gamma trager? Bewijzen voor de juistheid van γ zijn vaak lastig met eenvoudige middelen te leveren (het gps systeem wordt vaak gebruikt als voorbeeld voor tijddilatatie).

Maar als er ergens een opvallend en tamelijk onomstotelijk praktisch bewijs gevonden kan worden voor de juistheid van de relativiteitstheorie dan is het wel in Cern. Zou Einstein ongelijk hebben gehad, dan zou de kinetische energie van een proton in de LHC overeenkomstig de bovenstaande berekening conform Newton moeten zijn, en heeft Einstein gelijk dan is die energie een whopping 15.000 keer groter, en dat moet toch bepaald merkbaar zijn in de praktijk.

De energie van een snel proton

De correcte formule voor de kinetische energie van zeer snelle massa's is E_k=m.c².(γ-1) terwijl gamma wordt bekend met: γ=1/√(1-v²), met v uitgedrukt als fractie van de lichtsnelheid. Bij een deeltje met een snelheid van 0,999999991 c kunnen we dus gamma berekenen op 7454.

De kinetische energie van een proton met 1,673 x 10⁻²⁷ kg massa en een v van 0,999999991 c wordt als we dit uitrekenen 0,00000112064 J. Omgerekend in eV wordt dit 6.995.294.000.000 eV, zeg maar 7 TeV zoals in de tabel staat.

Stel nu dat we de protonen in de LHC slechts 2 meter per seconde sneller willen laten gaan. Dan wordt gamma al 14.600 en de kinetische energie van het proton verdubbelt tot 14 GeV. Voor twee luizige meters per seconde snelheidswinst hebben we de dubbele energie nodig. Doen we er nog een stapje bovenop, en geven de protonen nog een halve meter per seconde meer vaart, dan kost dat extra slakkengangetje weer het dubbele aan energie, 28 GeV. Hoe dichter we bij de lichtsnelheid komen hoe meer energie er nodig is voor steeds minder snelheidswinst, tot aan een vrijwel oneindige hoeveelheid vlak onder de lichtsnelheid.

Reken maar na. Snelheid is dus voor deeltjesfysici een onhandig begrip, want ook als die nauwelijks wijzigt kan de bewegingsenergie zo dicht bij de lichtsnelheid enorm veranderen. Met eV is het veel makkelijker werken in de praktijk.

En nu naar die beam dump van Cern om te zien of de theorie klopt.

Beam dump

Deze bestaat uit een staaf grafiet van 70*70*700 cm met een gewicht van ruim 7 ton waaromheen 750 ton massief ijzer en beton is gestapeld. Deze beam dump is het enige object binnen Cern dat de energie van de protonennaalden zonder schade kan absorberen. De dump wordt zoals eerder is beschreven gebruikt om verouderde pakketjes (te lage luminositeit) te absorberen, maar wordt ook in noodsituaties geactiveerd. Zodra een van de vele sensoren een reeks pakketjes detecteert dat zich door welke oorzaak dan ook buiten het hart van de straalbuis dreigt te begeven wordt een inmiddels bekend systeem van septum en kickermagneten geactiveerd dat de straal richting de dump stuurt, zie ook het schemaatje hieronder.

beamdump 6139 keer bekeken

beamdump2 6139 keer bekeken

Een van beide beam dumps en het schema. Bron: Cern

Enorm veel energie

1 proton heeft bij 7 TeV dus een kinetische energie van 0,00000112064 J. In ieder naaldje zitten 115 miljard protonen, dus ieder naaldje heeft een E_k van 128.843 J. Er zitten 2808 naaldjes in een buis. De energie die door de beam dump in een tiende milliseconde moet worden geabsorbeerd is dus een whoppping 360 Mega Joule (MJ).

Om dit wat in perspectief te zetten het volgende:

De massa van een 80 meter lange Intercity trein is 144 ton en zo'n trein heeft een maximale snelheid van 140 km/u. De kinetische energie van zo'n trein is klassiek met 0,5mv² te berekenen op 108 MJ.

M.a.w. een beam dump krijgt de kinetische energie van bijna 3,5 intercity treinen die 140 km/u rijden te verwerken, en beide dumps bij elkaar absorberen dus bijna de bewegingsenergie van 7 intercitytreinen op topsnelheid.

Dat is een ontzagwekkende hoeveelheid, en de kop van de watergekoelde beam dump wordt dan ook in een fractie van een seconde 800 graden. De energie van de naaldjes is zo intens dat een aparte set van kickermagneten de naaldjes spiraalvormig tijdens de dump razendsnel over de kop van de grafietstaaf moet 'schrijven' om een vernietigend brandpunt te vermijden.

zinkplatte 6139 keer bekeken

Dit is het effect van slechts 5 protonennaaldjes op 7 TeV. Een plaat metaal van 20 cm dik wordt doorboord.

Een uitgebroken straal van 2808 naaldjes zou niet alleen de buis, maar ook instrumenten er om heen vernietigen. Bron: Cern

Van heel weinig materie

Nog even terug naar het aantal protonen: 115 miljard per naaldje * 2 * 2808 naaldjes = 6,458.10¹⁴ protonen in totaal. Dat lijkt een groot aantal. Maar als je het aantal protonen in een mm³ waterstofgas bij 1 bar uitrekent, dan blijkt dat ruim 80 keer zo hoog te liggen, en dan is waterstofgas nog het lichtste gas dat er bestaat. De inhoud van een belletje waterstofgas kleiner dan de punt aan het einde van deze zin, knalt met het geweld van een frontale botsing tussen 7 intercity treinen en een bergwand de beamdumps in. Indrukwekkend!

Herinner je je dat armetierige flesje waterstof waar alles mee begon nog? Dat blijkt dus een ernstig oversized flesje te zijn. De inhoud ervan is genoeg om Cern een paar miljoen jaar te laten draaien. Voor de zekerheid wordt het ieder jaar vervangen (en komt volgens de leverancier altijd vol terug).

Zoals eerder gezegd, bij de beam dump wil je niet zijn. Het kan ook niet. De toegang tot de LHC tunnel en de dump is, als de LHC in gebruik is, verzegeld. Alleen specialisten worden pas nadat de LHC is uitgeschakeld, en het stralingsniveau voldoende is gedaald, na controle door een irisscanner toegelaten.

En Einstein?

Het is hiermee denk ik wel duidelijk dat hij gelijk heeft met zijn theorie die in de formules gebruik maakt van de Lorentzfactor. Zou de kinetische energie berekend conform Newton geldig zijn, dan zou een dump slechts 24 KJ leveren. Dat is een hoeveelheid energie waarmee je een pannetje water 5 graden warmer kan stoken. In plaats daarvan komt er per beam een hoeveelheid energie vrij die groot genoeg is om ruim een ton goud te laten smelten. Nergens kan je de juistheid van de relativiteitstheorie zo overduidelijk vaststellen als bij de beam dump van de Large Hadron Collider.

[Michel Uphoff]

Wat doet de LHC eigenlijk?

Een analogie: Je hebt twee onbekende kastjes, en je hebt veel vragen over hoe die dingen werken en waarvoor ze dienen. Probleem is dat je ze niet open kan maken noch er in kan kijken. Je ziet drie staafjes roteren, de wat langere 12 keer zo snel als de kleinste en de langste 720 keer zo snel. Dat roteren gaat met heel kleine schokjes maar verder wel heel regelmatig. Wat zijn dat voor vreemde objecten, hoe zitten ze in elkaar, hoe werken ze?

Als je op die kastjes slaat of ze hard tegen elkaar knalt, gebeurt er niets. Pas bij een enorme botsingssnelheid spatten ze plots in tienduizenden stukjes uiteen. En als je dan die hele wolk brokstukjes zorgvuldig fotografeert met een super hogesnelheidscamera en duizenden keren de telkens verschillende brokjes analyseert, kom je mogelijk wat te weten over de werking van die enigmatische machientjes. Misschien ontdek je na heel veel fotograferen en puzzelen aan brokstukjes dat er schroefjes in zitten, en allerhande tandwieltjes en een paar veertjes. En dat lijkt wel erg veel op wat theoretici die die kastjes al jaren bestuderen zeggen. Ze noemen het horloges, maar er zijn nog veel vraagtekens. Door zorgvuldig het spoor van ieder brokstukje te filmen en terug te volgen naar de oorsprong en eindeloos te passen lukt het uiteindelijk misschien wel ieder tandwieltje en schroefje, nippeltje en veertje te identificeren en de werking geheel te doorgronden, en te bevestigen of ontkrachten wat de theoretici allemaal over dit machientje bedacht hadden. Zo ongeveer wekt de LHC.


Er worden protonen met een ongelofelijk hoge snelheid tegen elkaar geschoten, en de brokstukken van die uiteen spattende waterstofkernen worden heel zorgvuldig geanalyseerd. De energie waar dat botsen mee gebeurt is ongeveer 14 TeV (de twee stralen van de LHC gaan immers tegen elkaar in). En bij die energie komen allerhande deeltjes vrij die je in de natuur vrijwel niet afzonderlijk tegenkomt. In tegenstelling tot de brokstukjes van het horloge leven deze zogenoemde fundamentele deeltjes meestal heel kort en veranderen bijna onmiddellijk in andere langer levende deeltjes wat het meten er bepaald niet makkelijker op maakt.

 

Het vroege heelal

Er verschijnen bij zo'n botsing tal van andere meestal zeer kort levende deeltjes die tegenwoordig in het koude, energiearme heelal niet of nauwelijks voorkomen.  Maar vroeger, vlak na de oerknal, was dat anders. Toen was de energiedichtheid en de temperatuur zo ongelofelijk hoog dat atomen, protonen en neutronen nog niet konden bestaan. De toestand van de materie toen wordt een quark-gluon plasma genoemd. In dit plasma raasde een hele stoet van plotseling opdoemende, elkaar vernietigende en spontaan vervallende exotische deeltjes rond. Dat quark-gluon plasma is wel te zien als een andere aggregatietoestand van materie, zoals stoom een andere toestand is van water. De enige plaatsen waar dit exotische plasma in het heelal nog voorkomt is in de kernen van neutronensterren. En in Cern.

 

Uit energie materie vormen, dat kan: e=mc² . Net zoals je een kg materie in een onbehoorlijke hoeveelheid energie kan omzetten, kan je een grote hoeveelheid energie ook weer omzetten in materie. In de LHC wordt de situatie vlak na de oerknal nagebootst, uit de energie die bij de botsingen vrijkomt worden allerhande (meestal zeer kort levende) deeltjes gevormd. Deeltjes die zicht geven op de omstandigheden die heersten in een heelal dat een miljoenste seconde oud was, een waarneembaar heelal dat 1 biljard (miljoen maal miljard) graden heet was, en ongeveer zo groot was als het zonnestelsel nu.

 

Tijdlijn 

Nu lijkt het misschien dat in een heelal van slechts een microseconde oud de omstandigheden erg veel moeten lijken op die tijdens de oerknal, maar dat is zeker niet het geval. Bijna alles in het heelal verloopt nu tergend traag, maar kort na de oerknal juist razendsnel. Om dat weer te kunnen geven hieronder een wat vreemde tijdlijn. De tijdspanne wordt per vakje van links naar rechts telkens een miljoen keer groter, en de temperatuur en energie dalen bij ieder vakje een factor 1000. Zo weergegeven worden de miljarden jaren tot nu sterk samengeperst en de fracties van seconden in het begin enorm opgerekt weergegeven. De tijdlijn is zeer ruw en de plaatsing van gebeurtenissen, temperaturen en omvang is een grove benadering.

 

Tijdlijn heelal 6140 keer bekeken

Ruwe tijdlijn heelal. Bron: m.u. Klik voor grote weergave.


Van links naar rechts:

• De oerknal. Daarover kunnen we kort zijn: We nemen aan dat tijd en ruimte toen ontstonden, maar hebben geen idee hoe.
• Het Planck tijdperk en unificatie. De temperatuur, dichtheid en energie zijn zo enorm dat de ons bekende natuurwetten niet voorzien in een afdoende beschrijving. De drie fundamentele krachten (sterke- en zwakke kernkracht, en de elektromagnetische kracht) zouden in deze periode even sterk zijn en mogelijk samen een fundamentele oerkracht vormen. Het heelal is perfect symmetrisch en wordt wel vergeleken met een potlood dat balanceert op de scherpe punt; te symmetrisch om zo gehandhaafd te blijven. Er wordt gespeculeerd dat een mogelijk 4e fundamentele kracht, de zwaartekracht, zich op dit moment afscheidt van de fundamentele oerkracht.
• Afsplitsing sterke kracht en inflatie. De sterke kernkracht maakt zich los. Er zijn nu twee krachten: de sterke kernkracht en de elektrozwakke kracht. Een hypothetisch veld, het inflatonveld, ontstaat getriggerd door het vrijkomen van de sterke kracht en de expansie van het heelal versnelt in korte tijd enorm, terwijl de temperatuur sterk daalt.
• Afsplitsing elektromagnetische kracht. De laatste krachten maken zich los, en de elektrozwakke kracht splitst in de elektromagnetische kracht en de zwakke kracht. Vanaf dit moment worden de processen in het heelal beter begrepen. Het Higgs boson ontstaat, en het Higgs veld maakt massa mogelijk in een heelal dat tot nu toe uit louter energie bestond. Uit de energie 'condenseren' de eerste fundamentele deeltjes als quarks, gluonen, elektronen, neutrino's, muonen en tau deeltjes en hun antimaterie tegenhangers.
• Quark-Gluon plasma. Quarks, elektronen en neutrino's worden in massale hoeveelheden geproduceerd. In deze periode is de energiedichtheid vergelijkbaar met die door de LHC gegenereerd. De quarks en gluonen hebben nog teveel energie om zich te binden tot samengestelde deeltjes (hadronen).
• Annihilatie en baryogenese. De energieniveaus zijn zover gedaald, dat samengestelde hadronen (protonen, neutronen, mesonen en hun antideeltjes) kunnen ontstaan. Antibaryonen en baryonen vernietigen elkaar (annihilatie), maar door een nog niet goed begrepen mechanisme is het aantal baryonen een klein beetje groter dan antibaryonen, zodat na de annihilatie vrijwel alleen baryonen overblijven. Elektronen en protonen fuseren tot neutronen en zenden neutrino's uit die vrij door het heelal kunnen reizen. Elektronen en positronen botsen en creëren fotonen. Het heelal bestaat uit een zee van veelal geladen deeltjes (protonen en elektronen) waarmee de fotonen telkens interacteren, ongeveer zoals in de Zon gebeurt. Het heelal is niet doorzichtig.
• Nucleosynthese. De temperatuur is zover gedaald dat de eerste samengestelde atoomkernen ontstaan. Protonen en neutronen vormen helium-4 (2 protonen, 2 neutronen). Ook andere kernen ontstaan (deuterium, lithium), maar in extreem geringe hoeveelheden. Ongeveer 20 minuten na de big bang is het heelal zoveel afgekoeld dat de fusie tot helium 4 stopt. De massaverhouding waterstofkernen (1 proton) en heliumkernen in het heelal is nu vastgelegd op ongeveer 75% waterstof en 25% helium.
• CBR. Ongeveer 380.000 jaar na de big bang is het heelal afgekoeld tot 3000 Kelvin. De elektronen en atoomkernen voegen zich samen tot neutrale atomen. Fotonen worden niet meer geabsorbeerd en kunnen nu als licht vrij reizen door het heelal. Het heelal wordt doorzichtig, en dat eerste licht is nu nog waarneembaar als de zwakke straling die Cosmic Background Radiation (CBR) wordt genoemd.
• Dark ages tot nu. Na 380.000 jaar koelt het heelal verder af, en het is er volkomen donker. Pas na ongeveer 150 miljoen jaar heeft de zwaartekracht zoveel materie samen kunnen ballen dat de eerste reuzesterren (en mogelijk ook zwarte gaten en quasars) ontstaan, en het universum licht op. De intense straling reïoniseert de materie, die nu echter zo ijl is dat fotonen er weinig hinder van ondervinden.  De eerste (populatie III) sterren leven slechts kort en in hun kernen zijn uit waterstof en helium door middel van fusie zwaardere elementen gesmeed die bij de doodsstuip van de sterren het heelal in worden geblazen. Nieuwere typen (populatie II en I) sterren ontstaan, die wederom zwaardere elementen creëren en verspreiden door het heelal. Sterrenstelsels, hedendaagse sterren en gasplaneten ontstaan, en uit de zwaardere elementen worden rotsachtige planeten zoals de Aarde gevormd.

De energie van de LHC is toereikend om de toestand van de materie rond 1 miljoenste seconde na de oerknal te kunnen onderzoeken, maar zoals uit de tijdlijn duidelijk blijkt is dit volstrekt onvoldoende om de situatie ten tijde van bijvoorbeeld de hypothetische inflatie te kunnen nabootsen. Daarvoor zou een LHC nodig zijn met ruwweg een miljard keer meer energie, volstrekt onhaalbaar met de huidige technologie. En metingen die een beeld geven van de unificatie of in extremo zelfs de oerknal zijn voor instrumenten als de LHC onbereikbaar ver weg.

 

Wat de instrumenten van Cern ons wel kunnen bieden is veel informatie over de periode rond het quark-gluon plasma, en er zijn dan ook veel baanbrekende ontdekkingen gedaan. Vrijwel iedereen herinnert zich de detectie van het Higgs boson, een mijlpaal in de deeltjesfysica. Maar ook het eerdere onderzoek aan de zwakke kracht en de bevestiging van de unificatie van de zwakke kracht met de elektromagnetische kracht staat op het conto van Cern, alsmede de aansluitende detectie van de W en Z bosonen die de zwakke kernkracht overbrengen. De detectie van lichte neutrino's, de creatie van antimaterie en dat gedurende 15 minuten laten bestaan waren grootse prestaties. Ook de bevestiging van de zogenoemde CP symmetry violation komt van Cern, en biedt een verklaring waarom er in het heelal in de vroegste fase meer materie dan antimaterie was (zie de tijdlijn). En natuurlijk is er als 'bijproduct' het World Wide Web zonder welke je dit artikel niet zou lezen.
 
Al met al heeft Cern tot op heden enorm belangrijke bijdragen geleverd aan het theoretisch raamwerk van het allerkleinste, het zogenoemde standaardmodel, waarvan hier een weergave:
 

Standard Model 6140 keer bekeken

Bron: Universiteit Zürich

[Michel Uphoff]

Tweakers.net heeft een reportage gemaakt over Cern waarin een aantal van de hierboven beschreven zaken nog eens terugkomen, maar met name de grote uitdagingen bij de verwerking van de enorme hoeveelheid data aan de orde komen.
 
Hier in drie delen te bekijken:
 





 


 
Overigens is de term 'mini-oerknal' die in de inleidingen wordt gebruikt nogal bezijden de realiteit zoals uit voorgaande tekst blijkt.