Alice en de quarkgluonsoep
Designer: Jordi Boixader Geschiedenis en tekst: Federico Antinori, Hans de Groot, Catherine Decosse, Yiota Foka, Yves Schutz en Christine Vanoli Productie: Christiane Lefèvre Vertaling: Margriet van der Heijden Gedrukt bij CERN – Januari 2011 Wij danken James Gillies voor zijn medewerking Experiment ALICE Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek CH-1211 Genève 23 – Zwitserland www.cern.ch/ALICE
[email protected]
Oh, oh! Ik kom te laat.
Wow, wat een smak. Ik geloof dat ik bij het middelpunt van de aarde ben… Wie bent u?
Nou, nou, jij bent wel nieuwsgierig hé? Je bent 52 meter naar beneden gevallen in de schacht van het ALICE-experiment.
Alice??
Ik heet ook Alice. En u?
Wat is dit? Wat is dat voor een groot apparaat? Waarvoor is het? Wat doet u hier? En waarom zijn we onder de grond?
Ik heet Carlo. Ik ben natuurkundige.
Allemachtig. Één vraag tegelijk graag. Zal ik je rondleiden? Kom maar mee.
We maken hier een soort soep – een ‘quarkgluonplasma’. Maar laten we beginnen bij het begin. Heel lang geleden, wel bijna 14 miljard jaar en veel minder dan een seconde na de Oerknal, toen bestond alle materie uit een soep van quarks en gluonen.
Oerknal? Materie? Quarks? Gluonen? Wat zijn dat? Het klinkt goed, maar ik begrijp er niks van.
ATOOM
proton
Hoi, ik ben een quark
kern
en ik ben een gluon! elektron
Materie is waarvan alles is gemaakt: jij en ik, de aarde en de maan, de zon en alle andere sterren en sterrenstelsels. We denken dat die materie ontstond tijdens de Oerknal. Daarna heeft die ‘oermaterie’ zich ontwikkeld en nu bestaat materie uit atomen die kleiner zijn dan alles wat je je kan voorstellen. Atomen bestaan uit een atoomkern waar elektronen omheen draaien. Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen en daarin zitten nóg kleinere deeltjes: de quarks en gluonen.
neutron
Oké, dus quarks, gluonen en elektronen zijn de bouwsteentjes van materie. En kun je die met het ALICE-experiment zien? Of is het een soort snelkookpan waarin je een quarkgluonsoep maakt?
BOEM!
Botsing
Soep
Allebei. We maken een mini-Oerknal na door twee atoomkernen te laten botsen. Daar komt zoveel energie bij vrij dat de duizenden quarks en gluonen bevrijd worden die normaal in de atoomkernen zitten opgesloten. Samen vormen ze een soort dikke soep die we quarkgluonplasma noemen.
Klopt. Deze soep koelt heel snel af, in een flits, en dan klonteren steeds twee of drie quarks met gluonen samen tot nieuwe deeltjes. ALICE moet die nieuwe deeltjes opsporen. Zo is het. ALICE ziet alleen de klontjes, ik bedoel: de nieuwe deeltjes die uit de soep zijn ontstaan. Wij proberen daarna uit te zoeken hoe de soep in elkaar zat. Een beetje fantasie en ook wat wiskunde en heel veel computers.
Die kun je zeker niet proeven: veel te heet. Mama zegt altijd dat ik even moet wachten voor ik mijn soep eet... Dus je ziet geen losse quarks en gluonen omdat ze klontjes vormen, zoals in brintapap.
Dan heb je veel fantasie nodig.
Hoe laat je die atoomkernen botsen?
ALICE ligt midden op de route van atoomkernen die met de lichtsnelheid in tegengestelde richting voortrazen in een machine die LHC-versneller heet. Het is een ring met een omtrek van 27 kilometer, 100 meter onder de grond.
Gaan die atoomkernen sneller dan een formule-1 racewagen?
Maar hoe kun je de gluonen en quarks zien als ze zó snel gaan?
Oh ja, véél sneller. Elke seconde passeren de atoomkernen de grens tussen Zwitserland en Frankrijk (want daaronder ligt die ring) wel 20.000 keer. Zo snel gaan ze .
Zet je helm op, dan laat ik je het zien.
Sesam open u!
ALICE weegt evenveel als de Eiffeltoren, maar is zo klein dat ze past onder één van de pijlers van die toren.
Dat ziet er zwaar uit.
In deze snelkookpan, sorry,in dit experiment past dus heel veel soep. Helemaal niet. Het quarkgluonplasma neemt haast geen ruimte in. Maar een klein beetje meer dan één atoomkern. Is dat kleiner dan een mier? Oh ja, een mier bestaat uit miljoenen keer miljoenen atomen. ALICE moet groot zijn doordat de duizenden deeltjes die bij een botsing ontstaan met bijna de lichtsnelheid in alle richtingen wegschieten.
In de pan, eh het experiment, zitten verschillende onderdelen, detectoren geheten, die elk hun eigen taak hebben.
Waarom? Is één detector niet genoeg?
Met de detectoren kun je dus deeltjes bekijken zoals met een microscoop?
De deeltjes zijn niet allemaal hetzelfde. En net zoals je geen muis kan vangen met een hengel, zo heb je ook de ene detector nodig voor het vangen van elektronen en de andere voor protonen.
Ja, maar je ‘ziet’ ze niet met je ogen.
Mijn naam is proton. Ik hoor bij de familie van baryonen. Ik besta uit drie quarks.
Mijn naam is pi-meson, kortweg pi. Ik besta uit twee quarks.
Ik geef je een paar voorbeelden. In onze grootste detector zit een speciaal gasmengsel. Als deeltjes daar doorheen reizen, laten ze in dat gas een spoor achter. Door de sporen te bestuderen kunnen onderzoekers de deeltjes herkennen. Zoals een jager aan dierensporen kan zien of er een hert of een konijn is langs gelopen.
Dus je ziet de deeltjes zelf niet?
Precies, we zien alleen hun sporen. Een andere detector meet, nog preciezer dan een Zwitsers horloge, hoe lang deeltjes erover doen om van het ene naar het andere punt te reizen. Als ze evenveel energie hebben gekregen, dan reizen zware deeltjes toch langzamer dan lichte deeltjes.
Zijn er deeltjes die zo licht en snel zijn dat je ze niet kan meten?
Er zijn deeltjes die helemaal geen massa hebben en die met de lichtsnelheid voortbewegen. Het is het licht zelf. Het bestaat uit lichtdeeltjes die ‘fotonen’ heten. Om fotonen te vangen hebben we een superzwaar kristal nodig, zo zwaar als lood en zo transparant als glas.
Oef!
Hoe kan je de deeltjes zien als het deksel op de pan zit? Neem je een foto?
Alweer goed. Elke detector is uitgerust met elektronica die de sporen van de deeltjes vastlegt en alle informatie daarover in digitale vorm naar computers stuurt. Het zijn dezelfde computers als waarmee jij over internet surft, maar wij hebben er duizenden. En dan kijk je naar de foto en stel je je voor wat er gebeurd moet zijn om hem precies zo te krijgen?
Er worden miljarden foto’s genomen, en er zijn honderden onderzoekers over de hele wereld nodig om die te bestuderen. Die onderzoekers werken in groepen. Ze bedenken samen verschillende scenario’s en bekijken welk scenario hun bevindingen uit de foto’s het beste beschrijft .
Wij willen de eigenschappen van het quarkgluonplasma leren kennen en zo een paar bladzijden over de geschiedenis van het heelal erbij schrijven. Wow, dan worden jullie rijk en beroemd! Nou, dat denk ik niet. We doen hetzelfde als wat jij deed toen je het konijn achterna liep: we zijn nieuwsgierig en willen weten hoe het zit. Onze resultaten kunnen ons bijvoorbeeld laten zien hoe materie zich ontwikkelde in het vroege heelal. Ons? Wij? Wie zijn ‘wij’? Wij - dat zijn ongeveer duizend onderzoekers, ingenieurs, technici en studenten uit de hele wereld. We hebben jarenlang gewerkt om het ALICE-experiment te ontwerpen en te bouwen. Het is nu spannend maar het allerspannendst is het koken van de soep… Nu we het daar toch over hebben: ga je mee naar ons feestje? Dan stel ik aan mijn collega’s voor..
Oef, gehaald! Volgt…
