Belgische wetenschappers werken mee aan ambitieuze experimen- ten in Duitse deeltjesversnellers. Ze knallen elementaire deeltjes tegen elkaar om raadsels rond de essentie van materie op te lossen.
Het voorstellingsvermogen van de mens is beperkt door de golflengte die hij kan waarnemen”, vertelt professor Robert Van de Vyver van de Vakgroep Subatomaire & Stralingsfysica van de Universiteit Gent (UG). “We zien in het voor ons zichtbare licht rondom de aarde een enorme ruimte: een grote leegte waarin hemellichamen hangen die toch op elkaar inwerken. We kunnen zelfs met het blote oog de verschillende identiteiten waarnemen. Maar als we met sterke microscopen naar een atoom kijken, zien we een geheel. Ons waarnemingsvermogen laat niet toe om er een stelsel van protonen en neutronen waarrond elektronen draaien, in te ontdekken. In feite is een atoom echter even leeg als de ruimte, en toch heeft het een structuur. Als we er met gammastralen naar kijken in de plaats van met zichtbaar licht, zien we ineens een heel andere wereld. Fenomenen die we zelf niet kunnen zien, hebben natuurlijk geen evenbeeld in onze wereld, dus zijn ze moeilijk te vatten en te beschrijven. Maar als fysicus leren we leven met een aantal zaken zonder dat we ze helemaal begrijpen.”
Het is paradoxaal dat om de bizarre wereld van het allerkleinste te bestuderen, de grootste en duurste installaties moeten worden gebouwd. Dertig meter diep onder het voetbalstadion en de paardenrenbaan van de Duitse stad Hamburg loopt een stuk van de meer dan zes kilometer lange ring waarin het Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy) steekt: een deeltjesversneller die zijn leven in 1959 begon als een kleine versie van het huidige circuit. In 1992 werd hij uitgebreid met de Hadron-Electron Ring Accelerator (Hera): een metropijp met twee versnellers voor respectievelijk elektronen en protonen die tegen elkaar aangeknald kunnen worden, en die ongeveer 20 miljard frank kostte. In vier grote onderzoekshallen van acht verdiepingen diep staan de detectoren opgesteld die de botsingen en hun gevolgen moeten vatten en interpreteren. De belangrijkste verwezenlijking van Desy is voorlopig de ontdekking, in 1979, van het gluon. Dit is het elementaire deeltje dat de sterke kernkracht overdraagt, die de quarks samenhoudt: de heel elementaire deeltjes die de protonen en neutronen in een atoomkern vormen.
GERANGSCHIKT IN DRIE GROEPEN
In Desy werken permanent drieduizend gastwetenschappers uit 35 landen. Onder hen professor Robert Roosen van het Departement voor Elementaire Deeltjesfysica van de VU Brussel: “In feite verscherpen we met de uitbouw van de installaties het beeld dat we van de nieuwe wereld krijgen. We zoeken dus niet zomaar naar nieuwe deeltjes. We gebruiken wel een bril om meer te kunnen zien. Er bestaat geen gevaar dat we het overzicht zullen verliezen in die vreemde wereld. We beschikken namelijk over iets dat het Standaardmodel heet: een heel schematisch en coherent geheel met een relatief beperkt aantal parameters en randfenomenen, dat toelaat bijna alle processen die in de deeltjesfysica een rol spelen accuraat te beschrijven. Het Standaardmodel doet het geweldig, maar geeft niet voor alles een verklaring. Het legt, bijvoorbeeld, niet uit waarom de bekende deeltjes zich heel mooi in drie groepen rangschikken. Maar ik moet eerlijkheidshalve toegeven dat wij meestal meer wakker liggen van een lek in een detector dan van de vraag waarom er drie groepen deeltjes zijn.”
Roosen werkt, samen met onder meer professor Eddi De Wolf van de Universiteit Antwerpen en in het kader van het Interuniversitair Instituut voor Hoge Energie (IIHE), aan de H1-detector op de Hera-ring. Die moet de botsingen tussen protonen en elektronen registreren.
De detector en de versneller zijn in revisie en dus bezoekbaar. In de pijp staan fietsjes. In principe is die pijp hermetisch afgesloten om onderzoekers weg te houden van de straling die de versneller in werking produceert. Grote vacuümzuigers moeten “domme” botsingen met ongewenste gasdeeltjes voorkomen. De elementaire deeltjes surfen als het ware op elektromagnetische golven. De buis die de protonen aan een waanzinnig hoog tempo rondjaagt, hangt vol met zware supergeleidende magneten om de deeltjes in hun baan te houden. De elektronen, die tweeduizend keer lichter zijn dan de protonen, laten zich met gewone technologie opjagen. Versnellen kost energie: de elektriciteitsrekening van Desy bedraagt ongeveer 700 miljoen frank per jaar.
De detector zelf, die met een handig spoorsysteem uit de pijp kan worden gerold en geopend, is een ongelooflijke wirwar van kabels en draden. De deeltjes worden opgespoord aan de hand van hun beweging in het elektrisch veld van de vele dradenkamers, die een duidelijk signaal aflevert dat geregistreerd moet worden. “In de Belgische detectorkamer zitten drieduizend draden van een haar dik die met een precisie van tien micron gelegd zijn”, benadrukt Roosen. “Het vergde heel wat studie voor we hadden bepaald hoe we de draden het beste konden leggen.”
De gehele Belgische bijdrage aan het experiment kostte ongeveer 50 miljoen frank, grotendeels betaald door het toenmalige Nationaal Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (NFWO). De controlekamer van H1 barst van de computers die het experiment moeten controleren en de feiten registreren. Ze filteren automatisch de belangrijkste gegevens uit: de interacties die de wetenschappers interesseren, zijn zo infrequent dat er speciale programma’s bestaan om ze uit de massa gegevens te destilleren.
DE FUNDAMENTEN VAN DE MATERIE
“In feite willen we met het experiment op zoek naar de basisstructuur van de materie”, legt Roosen uit. “We willen meer bepaald weten wat er in het proton zit. In de jaren zeventig ontdekten wetenschappers dat het proton was opgebouwd uit drie quarks. De zes soorten quark die in het Standaardmodel voorkomen, zijn ondertussen allemaal opgespoord. Hoewel de drie quarks de eigenschappen van het proton bepalen, blijkt bij nader toezien dat de protonstructuur veel complexer is. Zo gaan de gluonen die de lijm tussen de quarks in het proton vormen, ook over in quark-antiquarkpaartjes, en omgekeerd. Het beeld dat we van dit dynamisch proces krijgen, is afhankelijk van de nauwkeurigheid waarmee we waarnemingen uitvoeren.”
Om de structuur van het proton verder te doorgronden, trachten natuurkundigen experimenten uit te voeren, waarmee ze steeds dieper in het proton kunnen doordringen. De verfijning wordt verkregen door bundels van deeltjes met hogere energie te gebruiken. Gebruik van hogere energie vertaalt zich in de elementaire deeltjesfysica als “de bril inruilen voor een microscoop”. In de Hera-versneller worden elektronen gebruikt om in het hart van het proton te kijken.
Om bepaalde aspecten van de protonstructuur te onderzoeken, moeten wetenschappers uit een groot aantal botsingen een selectie maken. Er gaat uitgebreid studiewerk vooraf aan de beslissing waarnaar gekeken zal worden. De experimenten zijn duur en in de tijd beperkt, zodat er lang van tevoren moet worden afgelijnd wat onderzocht zal worden. Daarbij wordt uiteraard geopteerd voor de fundamentele vragen, zoals: waarom is er bijna alleen materie – en geen antimaterie – in het heelal? Vlak na de grote oerknal was er in het heelal uitsluitend energie, die uitkristalliseerde in combinaties van deeltjes en hun antideeltjes, van materie en antimaterie. Nu zit alles echter vol met deeltjes. De vraag rijst waar de antimaterie naartoe is, waar de symmetrie in het heelal gebleven is.
Ingewikkelde experimenten zijn nodig om zicht te krijgen op het allerkleinste. Daarbij moet de invloed op het waargenomen systeem zo sterk mogelijk worden uitgesloten. “De zaken die we zien, worden natuurlijk bepaald door de manier waarop we ernaar kijken”, verduidelijkt professor Dirk Ryckbosch van de Vakgroep Subatomaire & Stralingsfysica van de UG. “Een lamp straalt fotonen uit, lichtdragende deeltjes, maar die beïnvloeden het systeem. Een konijn gaat lopen als er licht op valt: zijn natuurlijk gedrag wordt verstoord. We moeten dus werken met vernuftige meetmethodes om het natuurlijk gedrag van onze deeltjes af te leiden uit verschillende vormen van beïnvloeding. Daarom is de waarneming dikwijls zo complex. In de quantumwereld die we bestuderen, is er trouwens altijd een interactie. Een proton is nooit in zijn samenstellende quarks uiteen te halen, want dan wordt het meteen iets anders. Het is echter niet de bedoeling dat wij leven in de wereld die de versnellers oproepen, wel in de wereld van de deeltjes zelf. Dat vergt planning.”
De toekomst voor Desy ziet er nog grootser uit dan hij al is. De energie moet nog omhoog. Hoe hoger de voor de versnelling gebruikte energie, hoe anders de wereld die de wetenschappers in de scatterdiagrammen op hun computers te zien krijgen. Het onderzoekscentrum plant nu de bouw van haar TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator (Tesla): de krachtigste lineaire versneller in de wereld – tenminste, als de race met de Japanners en mogelijk ook de Amerikanen gewonnen wordt. Het geheel moet 33 kilometer lang worden. De plannen moeten tegen het jaar 2001 definitief afgerond zijn. Het proces ter sensibilisering van de bevolking onder wiens huizen en tuinen de lange pijp zal lopen, is al begonnen, en verloopt naar behoren: de lobbying gaat sneller dan het opmaken van de rapporten om de vele technische obstakels bij de bouw uit de weg te ruimen. De bedoeling is dat het geheel tegen het jaar 2010 operationeel zal zijn, als er al een volgende generatie wetenschappers aan het werk is.
IEDERE ONZUIVERHEID IS UIT DEN BOZE
Het nadeel van de ringvormige versnellers die nu algemeen in zwang zijn, is dat de deeltjes veel energie verliezen in de lange bochten. Energieverlies impliceert verlies van waarnemingsvermogen. De deeltjes verliezen hun energie in de vorm van synchrotronstraling. Die wordt in Desy gebruikt in het speciale Hamburg Synchrotron Radiation Laboratorium (Hasylab), waar een ware chaos heerst van proefopstellingen die de straling nodig hebben om, onder meer, de structuur van kristallen en de vorm van eiwitten te zien, de concentratie van chemische spoorelementen te bepalen of de mechanische eigenschappen van plastic te meten.
Maar voor de studie van de elementaire deeltjes is die straling een doorn in het oog. Daarom de plannen voor Tesla. En het enthousiasme is groot. “Het gaat om een heel ambitieus project, waarin we heel wat technische moeilijkheden zullen moeten overwinnen, maar waarvoor toch veel internationale interesse bestaat”, beklemtoont onderzoeksdirecteur Albrecht Wagner van Desy. “We werken aan een vernieuwend concept van supergeleidende caviteiten (trilholtes) voor de versnelling. We willen heel smalle elektronenbundels van amper twee nanometer breed creëren, die speciale eigenschappen zullen hebben. We hebben daarvoor een eerste testopstelling gebouwd: een twaalf meter lang monster met acht van deze supergeleidende structuren. Een huzarenstukje, want er mag niet de minste onzuiverheid in het apparaat steken, omdat de supergeleiding dan verdwijnt. En het werkt: we hebben de eerste elektronenbundel al versneld. Nu zetten we de volgende stap: de bouw van een vrije-elektronlaser. Die zal ook voor de biologie nuttig zijn, omdat hij zal toelaten met één schot een holografisch beeld van atomen in moleculen te maken, zodat wetenschappers de structuur van, bijvoorbeeld, een potentieel geneesmiddel onmiddellijk zullen kunnen zien. Onze experts zijn er zeker van dat het zal werken.”
België is niet betrokken bij dit project, hoewel een aantal andere landen zijn medewerking al heeft toegezegd. “Het spreekt voor zich dat wij geïnteresseerd zijn in de nieuwe ontwikkelingen, hoewel we er voorlopig niet actief aan meewerken”, aldus fysicus Van de Vyver van de UG. “Uiteindelijk streven wij allemaal naar hetzelfde doel: meer inzicht verwerven in de oorsprong en de aard van de materie, die verantwoordelijk is voor alles wat het leven op aarde mogelijk maakte – de deeltjes, de sterren, de planeten en de levende wezens zelf. Alles is materie. Zelfs wat we eten, bestaat uit deeltjes die hun oorsprong in sterren vonden. Als we ooit echt inzicht willen krijgen in de ware aard van ons bestaan, moeten we inspanningen leveren om toegang te krijgen tot een wereld die anders voor ons verborgen zou blijven. En wie is er niet geïnteresseerd in het begrijpen van de oorsprong van alles?”
Dirk Draulans
