Het is weinigen gegeven: de cover halen van het wetenschappelijke topvakblad Nature. De Vlaamse ingenieur Wim Leemans slaagde daar eind vorig jaar in, met een opmerkelijk verhaal over lasergestuurde miniatuurdeeltjesversnellers. Nature omschreef zijn laserstraal plastisch als dream beam: droomstraal. De verwachtingen in Leemans' concept zijn dan ook hoog: het moet de toepassing van de natuurkunde overzichtelijker maken. Deeltjesversnellers zijn nu vaak enorme machines die in kilometerslange banen bundels met elementaire materiedeeltjes tegen elkaar aanknallen. Wetenschappers hopen door het observeren van dat proces meer inzicht te krijgen in de fundamenten van alles wat er bestaat.
...

Het is weinigen gegeven: de cover halen van het wetenschappelijke topvakblad Nature. De Vlaamse ingenieur Wim Leemans slaagde daar eind vorig jaar in, met een opmerkelijk verhaal over lasergestuurde miniatuurdeeltjesversnellers. Nature omschreef zijn laserstraal plastisch als dream beam: droomstraal. De verwachtingen in Leemans' concept zijn dan ook hoog: het moet de toepassing van de natuurkunde overzichtelijker maken. Deeltjesversnellers zijn nu vaak enorme machines die in kilometerslange banen bundels met elementaire materiedeeltjes tegen elkaar aanknallen. Wetenschappers hopen door het observeren van dat proces meer inzicht te krijgen in de fundamenten van alles wat er bestaat. In die gigantische machines worden de deeltjes versneld door koperen, supergeleidende structuren. Maar Leemans werkt met lasers - dat doet hij al het grootste deel van zijn professionele leven. Hij is een bouwer, een knutselaar, van kindsbeen af. Als jonge ingenieur raakte hij geboeid door de plasmafysica. Dat is de fysica van een vierde materievorm (naast het vaste, het vloeibare en het gasvormige): een soort vloeibaar gas, een geïoniseerd medium zoals de zon. Daarvan hoopt men onder meer dat het nuttig zal zijn in de ontwikkeling van kernfusiereactoren die veel energie moeten opleveren, zónder de mensheid met een probleem van radioactief afval op te zadelen - zoals de kernsplitsing. Omdat er in ons land weinig mogelijkheden waren om aan plasmafysica te doen, tenzij in een strikt theoretisch kader, trok Leemans na zijn studies aan de Vrije Universiteit Brussel naar de Verenigde Staten, naar een universiteit in Los Angeles. 'Ik zou daar in principe maar een jaar gebleven zijn', vertelt hij over deze beslissing, 'maar uiteindelijk werkte ik er zes jaar aan een doctoraat. En ook nadien bleef ik er hangen. Ik zit nu in totaal al bijna twintig jaar in de VS, want het is niet gemakkelijk om terug te komen. De Europese Commissie vergaderde wel over manieren om de braindrain te stoppen, maar er kwam niets concreets uit de bus. Er is in de VS overigens nog altijd plaats voor goede buitenlanders. Want de meeste briljante Amerikanen stappen blijkbaar liever in een sector waarin veel meer geld te verdienen is dan in de wetenschap.'Toch is de braindrain van Europa naar Amerika vooral een kwestie van geld. Als je in de VS een goede loopbaan kunt uitbouwen na je doctoraat, is het heel moeilijk om vergelijkbare middelen los te weken in Europa. En er is veel minder hiërarchie in het Amerikaanse onderzoekssysteem dan in het Europese. 'In Europa moet je al wat grijze haren hebben voor je verantwoordelijkheden over een budget of een laboratorium krijgt', ondervond Leemans, wiens doctoraat in 1992 bekroond werd als beste Amerikaanse thesis in de natuurkunde. 'In de VS krijg je verantwoordelijkheden zodra je bewezen hebt dat je iets kunt.'In 1991 begint Leemans te werken op het Lawrence Berkeley National Laboratory, waar hij nu een eigen laboratorium met een twintigtal medewerkers heeft, en een jaarlijks budget van 2,5 miljoen dollar. Hij begon met het produceren van x-stralenbundels met een levensduur uitgedrukt in femtoseconden: tien tot de macht min vijftien van een seconde, uiterst kort dus. Dat leverde hem in 1996 een eerste internationale erkenning op, met een publicatie in dat andere wetenschappelijke topvakblad: Science. Maar van dan af werden het lasers, grote lasers, waarmee Leemans en zijn collega's deeltjes begonnen te versnellen. 'Diepgravende theoretische denkkaders over het speuren naar de oorsprong van de materie zaten daar niet achter', geeft Leemans toe. 'Ik ben nogal pragmatisch. En ik hou van experimenten. Als je iets niet experimenteel bewezen krijgt, bestaat het niet. Het experiment is in ons domein koning.'Zoals in de wetenschap wel meer het geval is, forceerde Leemans zijn doorbraak met iets wat in feite niet was verwacht. Hij verzeilde bij een structuur die als een plasmakanaal bekend staat, een optische vezel gemaakt uit plasma die een laserbundel over lange afstand kan leiden, zodat hij elektronen lang genoeg kan meenemen om ze te versnellen. Plasmaversnellers bleken dus in staat goede elektronenbundels te produceren. Als bonus kwamen de elektronen er ook met ongeveer dezelfde snelheid uit. 'Het idee is dat je met de laser een plasmagolf ontwikkelt zoals een motorboot golven maakt op een meer', legt Leemans uit. 'Je zet dan surfers op het meer, elektronen, die mee moeten op de golven. De surfers moeten natuurlijk voldoende snelheid hebben om door de golven meegenomen te kunnen worden. Dat is waar we uiteindelijk in geslaagd zijn. We kunnen deeltjes nu met een laser versnellen tot de snelheid van het licht.'De klassieke deeltjesversnellers uit de natuurkunde zijn zo reusachtig groot, omdat er veel energie nodig is om deeltjes te versnellen. 'De elektrische velden die wij met onze laser genereren, zijn duizend tot tienduizend keer groter dan wat de supergeleiders in de klassieke opstellingen doen', stelt Leemans. 'Dat betekent dat we onze machines veel kleiner kunnen maken om dezelfde energie te leveren als de grote versnellers. Het concept zat eigenlijk al vervat in een theorie die een jaar of tien geleden ontwikkeld was. Maar iedereen had er altijd overheen gekeken. Je kunt met een experiment dus dingen zien die je in de theorie niet opmerkte.' In sommige media werd Leemans' bouwsel al een 'keukentafelversneller' genoemd. 'De versneller zelf, het plasmamedium, is nochtans maar twee millimeter lang', nuanceert Leemans. 'We halen daarmee gemakkelijk een energieniveau van honderd miljoen elektronvolt. Ter vergelijking: een laboratoriumversneller van vijftig miljoen elektronvolt is toch algauw een meter of vijf lang. Onze laser zelf past echter niet op een keukentafel. Daar is een ruime kamer voor nodig. We werken nu aan methodes om de efficiëntie nog op te voeren, om naar één giga (tien tot de macht negen) elektronvolt te kunnen gaan over een afstand van vijf centimeter. Momenteel heb je daar honderd meter voor nodig.'De uitdaging is dus lasers efficiënter te maken. Er moet meer dan een miljoen keer meer energie in een bundel kunnen. 'Moderne lasers op basis van diodes werken zeer effi- ciënt', zegt Leemans. 'Ze zetten tien procent van de elektriciteit die hen aandrijft om in lichtdeeltjes. Wij werken met speciale, krachtige lasers op basis van titaniumsaffier. Die hebben een efficiëntie in energie-omzetting van slechts 0,1 procent. Als je daarmee naar het energieniveau van de bestaande deeltjesversnellers wilt, heb je naast elke laser een kerncentrale van het niveau Doel 3 of 4 nodig, want anders krijg je nooit voldoende elektriciteit. Dat kan dus niet. De praktische toepassingen van onze ontwikkelingen liggen voorlopig dus op heel kleine schaal.'Leemans' nieuwe lasers worden nu vooral voor laboratoriumexperimenten gebruikt. De heel korte bundels die ze produceren, in de orde van grootte van femtoseconden, zijn ideaal om biochemische reacties van moleculen te volgen, die zich in die tijdspanne voordoen. Nog kleiner is de wereld van de attoseconden, waarin alles zich in een tijdspanne van tien tot de macht min achttien seconden afspeelt, bijna onwezenlijk kort of snel dus. Daarin hopen wetenschappers het verloop van chemische reacties te kunnen volgen. Onlangs beschreven enkele scheikundigen in Nature in detail het gedrag van individuele elektronen in hun baan om een stikstof-atoomkern. Als ze zouden kunnen volgen hoe elektronen van het ene atoom naar het andere wippen kunnen ze ook letterlijk chemische reacties in actie zien. 'In feite zijn wij een beetje zoals de gebroeders Bever in de Fabeltjeskrant', lacht Leemans. 'Wij zijn de bouwers, en wij omringen ons met mensen die in onze bouwsels geïnteresseerd zijn, die er experimenten mee willen doen. Wij houden zelf de focus altijd op de machine. En na ons coververhaal in Nature is de interesse om samen te werken uiteraard groter geworden. We beginnen nu bijvoorbeeld samen te werken met mensen die magnetische schakelingen willen bestuderen. Die willen nagaan hoe snel magnetische domeinen kunnen veranderen, wat nuttig kan zijn voor het verbeteren van de efficiëntie van magnetische opslag-systemen. Zo komen we met vele werelden, met vele boeiende principes uit de natuurkunde in contact.' Het is evident dat ook de militaire wereld dit soort principes wel ziet zitten. Leemans' lasers kunnen bijvoorbeeld x-stralen met heel hoge densiteit produceren, die geschikt zijn om heel dichte materialen te radiograferen, die in staat zijn om het verloop van het smelten van uraniumkernen in een atoombom te volgen. 'Maar alles wat wij doen is unclassified, openbaar', benadrukt Leemans. 'Niets van wat wij doen wordt door militairen gesponsord. Militairen zoeken natuurlijk gemakkelijk contact. Een Belgische collega in Los Angeles onderzoekt smog in zijn speurtocht naar oplossingen voor pollutie. Zelfs hij kreeg al een telefoontje van militairen met de vraag of het mogelijk zou zijn een toxische wolk boven een stad te hangen. Als je een licht materiaal ontdekt, of een nieuwe microbe, is de kans reëel dat je vragen van defensie krijgt. Maar ik hou van een open aanpak, van instellingen waarin iedereen welkom is.' Ook over de ambitieuze plannen van de Amerikaanse regering om een laserschild in de ruimte te hangen dat vijandige raketten uit de lucht zou moeten schieten, is Leemans kordaat: ' Low tech always beats high tech. Het zal veel te ingewikkeld zijn. De investeringen die de vijand zal moeten doen om de hoge technologie te misleiden of te omzeilen zullen peanuts zijn in vergelijking met wat het schild aan de Amerikaanse staat zal kosten.' Lasers spreken tot de verbeelding van de mensen, die ze nog altijd gemakkelijk associëren met de vlammende zwaarden en de spectaculaire gevechtsscènes uit Star Wars, met stralen die dwars doorheen dikke muren dringen. Maar Leemans nuanceert: 'Onze laser haalt een piekvermogen van 30 terawatt (dat is tien tot de macht twaalf watt). Als hij dat een seconde lang zou kunnen, zou hij 30 terajoule aan energie produceren, dat is een pak meer dan wat heel Amerika per seconde aan elektriciteit voortbrengt. Maar dat kan hij dus niet, hij kan dat energieniveau maar een fractie van een seconde aan. Een eenvoudig blaadje papier zou volstaan om hem tegen te houden, want zijn gemiddeld vermogen is heel laag. Door een muur heen dringen is dus niet aan de orde.'De weg naar Leemans' eigen grote droomstraal is nog lang niet ten einde. Hij zal pas overwegen om op zijn lauweren te gaan rusten als hij een machine van tien giga elektronvolt ontwikkeld heeft, die een vijfde zou produceren van de energie geleverd door de grootste lineaire deeltjesversneller ter wereld, maar dan wel op een afstand van tien meter in de plaats van drie kilometer. Een machine die hij binnen vijftien jaar gebouwd zou willen hebben. 'We zijn nu intensief op zoek naar een manier om de surfers-elektronen precies daar op de plasmagolf te plaatsen waar we ze willen hebben voor een optimale versnelling', legt Leemans uit. 'We willen een golf produceren die minder hoog is, maar waar we een soort elektronenschuim op kunnen leggen, als het schuim op de toppen van golven op de zee. In samenwerking met buitenlandse colle-ga's gaan we werken aan een systeem waarmee we verschillende versnellers achter elkaar kunnen schakelen, wat een boel technische vragen doet rijzen, onder meer hoe je de laserpulsen van de verschillende eenheden aan elkaar koppelt. We zijn met twee onderzoeksgroepen in een race verwikkeld om dat als eerste klaar te krijgen. Ik heb er goede hoop op dat ons dat dit jaar, in 2005, zal lukken, wat ons weer een artikel in Nature zou opleveren. De volgende stap zal dan de tien giga elektronvolt zijn, mijn ultieme droom.' Ook de productie van positronen (de positieve tegenhangers van de negatief geladen elektronen) is een belangrijke uitdaging voor vorsers als Leemans. Als in een versneller twee elektronen op elkaar worden afgeschoten, zijn dat twee negatief geladen deeltjes die met elkaar in contact moeten komen. Dat gaat veel moeizamer dan het tegen elkaar aanknallen van een positief en een negatief geladen deeltje, wat een veel krachtiger botsing geeft, met meer informatie als gevolg. Het werk van Leemans heeft ook medische toepassingen, hoewel hij daar financieel wat krap komt te zitten, omdat in de VS momenteel zwaar op de wetenschapsbudgetten wordt bespaard. Wim Leemans: 'De huidige administratie zegt wel dat de budgetten voor onderzoek en ontwikkeling stijgen, maar dat geldt niet voor basiswetenschap. De militaire agentschappen krijgen bakken geld, maar op het departement van Energie, waar wij het meeste geld van kregen, is er veel minder expansie. We zijn ook bang dat ons werk op termijn gebruikt zal worden als alibi om zware investeringen in nieuwe, reusachtige deeltjesversnellers terug te schroeven, met als argument dat het later met onze technieken allemaal kleiner en goedkoper zal kunnen. Wat absoluut niet de bedoeling is.'Zo had Leemans geld gekregen voor de ontwikkeling van een deeltjesversneller voor medische radio-isotopen. Die zijn nodig in, bijvoorbeeld, scanners waarmee de hersenactiviteit wordt onderzocht. Momenteel worden de isotopen meestal in nucleaire centrales geproduceerd en dan per helikopter overgevlogen naar de ziekenhuizen die ze nodig hebben, of in medische cyclotrons, een domein waarin een Belgisch bedrijf wereldleider is. 'Wij hebben aangetoond dat het mogelijk is om een deeltjesversneller te bouwen die als een nierdialysemachine op een tafeltje de kamer van een patiënt kan worden binnengereden om er ter plekke isotopen voor een scan te produceren', vertelt Leemans. 'We schoten een elektronenbundel af op vrij zware metalen als tantaal of wolfram, waarbij de elektronen in gammastralen worden omgezet die elementen als koolstof of fluor radioactief maken. Met een chemische bewerking kun je die zo in een patiënt spuiten. Vermits de patiënt vlakbij de kleine versneller zou zitten, kunnen héél kortlevende isotopen gebruikt worden, die veel minder schadelijk zijn voor zijn gezondheid dan de huidige types. We hadden in deze context ook graag ionen - positief geladen atoomdeeltjes - versneld in de plaats van elektronen. Maar het geld daarvoor is op, en we moeten op zoek naar alternatieve financieringsmiddelen om dit werk te kunnen voortzetten.'Nog andere stralen uit Leemans' verhaal kunnen de geneeskunde verfijnen. De terahertzstralen die zijn laboratorium bestudeert, zijn uitermate geschikt voor onderzoek van verbrand weefsel, omdat ze diep in een brandwonde penetreren zonder dat je aan de wonde hoeft te komen. Sommige van zijn x-stralenbundels zijn perfect om heel contrastrijke mammografieën te maken, waarop veel meer details te zien zijn dan met de huidige systemen. 'Je ziet,' besluit Leemans, 'zelfs echte bouwers zijn uiteindelijk met het welzijn van de mens bezig.'Door Dirk Draulans'Als je een licht materiaal of een nieuwe microbe ontdekt, is de kans groot dat je vragen van militairen krijgt.'