Alles over CERN

Een deeltjesversneller met een omtrek van 26,7 kilometer. Veel natuurkundigen dromen ervan om te kunnen werken met deze deeltjesversneller. Je vindt hem in het laboratorium van CERN in Genève, Zwitserland. Maar wat doet het CERN precies en wat is de rol van deze deeltjesversneller? Dat lees je in dit artikel!

Wat is CERN?

CERN is de Europese organisatie voor nucleair onderzoek. De letters 'CERN' staan voor ‘Conceil Européen pour la Recherche Nucléaire’. CERN is dus een organisatie, en geen laboratorium, zoals veel mensen denken. Toch is die gedachte best logisch. CERN is namelijk de eigenaar van het grootste laboratorium voor deeltjesfysica ter wereld. In dit laboratorium zijn veel belangrijke natuurkundige ontdekkingen gedaan op het gebied van het natuurkundig standaardmodel.

De bekendste delen van het laboratorium van CERN zijn de Large Hadron Collider (deeltjesversneller) en het grote computerfaciliteitencomplex. Op dit complex worden alle data van uitgevoerde experimenten opgeslagen en geanalyseerd.

Nederland is op dit moment samen met 22 andere landen in de wereld lid van CERN. Israël is het enige niet-Europese land dat lid is van CERN. Samen met andere landen zorgen zij voor de bouw, het onderhoud en verdere financiering van CERN.

Het idee achter CERN is dat wetenschappers verbonden blijven aan hun nationale onderzoeksinstituten, terwijl ze gewoon vrijuit gebruik kunnen maken van de meetinstrumenten die CERN biedt. Op die manier kunnen landen hun beste wetenschappers samen laten werken. De wetenschappelijke focus van CERN trekt wetenschappers van over de hele wereld aan. Zelfs politieke spanningen spelen hierin geen rol. Zo was CERN tijdens de Koude Oorlog één van de weinige plekken in de wereld waar westerse onderzoekers samenwerkten met onderzoekers uit de Sovjet-Unie.

Wil je meer weten over wat CERN precies is? Kijk dan deze video.

Hoe is CERN ontstaan?

Na de Tweede Wereldoorlog wilden verschillende Europese landen fundamenteel natuurkundig onderzoek nieuw leven inblazen. In 1952 is CERN met behulp van UNESCO opgericht. Het jaar erna werd er een overeenkomst getekend waarin staat dat al het onderzoek alleen voor wetenschappelijke doeleinden mag worden gebruikt. Dit was om te voorkomen dat de uitkomsten voor militaire doeleinden gebruikt zouden worden. Verder werd er in de overeenkomst benoemd dat alle resultaten openbaar gepubliceerd moeten worden. Op deze manier kan iedereen op de wereld er gebruik van maken.

In 1954 werd de overeenkomst officieel bekrachtigd door de 12 oprichtende lidstaten, waaronder Nederland. Hierna werd begonnen aan de bouw van de eerste lineaire deeltjesversneller in de buurt van Genève in Zwitserland. Al snel worden steeds grotere deeltjesversnellers gebouwd. Hierdoor breidt het terrein van CERN zich uit tot over de grens met Frankrijk. Dit zorgde ervoor dat CERN het eerste grensoverschrijdende laboratorium ter wereld werd. Het werd gezien als een duidelijk signaal dat wetenschap niet gelimiteerd is door landsgrenzen en politieke spanningen.

Met de bouw van de Large Electron and Positron collider (LEP) en zijn latere opvolger, de bekende Large Hadron Collider (LHC) wordt CERN bekender dan ooit. Dit maakte het voor veel verschillende landen van over de hele wereld aantrekkelijk om zich aan te sluiten bij CERN. Doordat de beste onderzoekers wereldwijd samenwerkten konden de wetenschappelijke ontwikkelingen zich in rap tempo opvolgen. Alle data werd namelijk naar tientallen landen over de hele wereld verstuurd. Ook de mogelijkheid om bij CERN gebruik te maken van de best mogelijke meetapparatuur en bouwtechnieken versterkte de wetenschappelijke ontwikkelingen.

Hoe ziet CERN eruit?

CERN bestaat uit acht deeltjesversnellers en twee deeltjesvertragers. Hieraan wordt veel fundamenteel natuurkundig onderzoek gedaan. De Proton Synchrotron (PS) en Super Proton Synchrotron (SPS) kunnen deeltjes zowel versnellen als vertragen. Elk van de versnellers wordt gebruikt om proeven mee te doen of om deeltjes te versnellen voor andere, grotere deeltjesversnellers. De grootste en meest bekende deeltjesversneller ter wereld is de Large Hadron Collider (LHC). Naast deze cirkelvormige deeltjesversneller zijn er ook rechtlijnige deeltjesversnellers, zoals de LINear Accelerator en LINAC.

Er staat op het terrein van CERN ook een groot datacentrum. Hier wordt alle data van CERN opgeslagen. Deze data wordt geanalyseerd door onderzoekers vanuit de hele wereld.

Wat is de Large Hadron Collider?

De Large Hadron Collider (LHC) is een deeltjesversneller met een diameter van ongeveer 8,5 kilometer en een omtrek van 26,7 kilometer. Voordat deeltjes worden versneld in de LHC moeten ze eerst in kleinere deeltjesversnellers op gang worden gebracht. De deeltjes beginnen in de lineaire versneller, waarna ze via de Proton Synchrotron worden versneld in de Super Proton Synchrotron. Vanuit daar worden deeltjes in twee tegenovergestelde richtingen de LHC ingestuurd, waar ze verder worden versneld.

In de LHC worden deeltjes versneld tot 99,999…% van de lichtsnelheid. Dit is dus bijna de hoogst mogelijke snelheid. De buizen in de Large Hadron Collider worden in een zogeheten ultra vacuüm gehouden. Dit is om te voorkomen dat de deeltjes tegen lucht aanbotsen.

De deeltjes worden verder in een cirkelvormige baan gehouden door een heel groot magnetisch veld. Dit magnetisch veld buigt de deeltjes af door middel van de lorentzkracht en komt tot stand door middel van een netwerk aan elektromagneten. De elektromagneten bestaan uit spoelen waarin de elektrische stroom zorgt voor een magnetisch veld. Om een sterke magnetische kracht te veroorzaken is een ontzettend hoge stroom nodig. Daarvoor moeten de spoelen in een supergeleidbare staat worden gebracht. Dit wordt gedaan door de spoelen af te koelen tot een temperatuur van -271,3°C, wat bijna het absolute nulpunt is. Als de deeltjes voldoende zijn versneld, botsen de twee tegenovergestelde stralen deeltjes tegen elkaar.

Video

Wil je meer weten over de deeltjesversnellers waar CERN mee werkt, waaronder de Large Hadron Collider? Kijk dan onderstaande video.

 

Waarmee worden de reactieproducten uit de LHC gemeten?

Om de reactieproducten van de botsingen te meten zijn vier verschillende meetapparaten gebouwd in de Large Hadron Collider:

• ATLAS
• CMS
• ALICE
• LHCb

De ATLAS en CMS worden gebruikt om metingen uit te voeren aan botsingen tussen kleine deeltjes zoals elektronen en positronen. Het zijn beiden grote cilinders om de LHC heen, waarin de reactieproducten van de botsingen worden gemeten terwijl ze voorbijvliegen. In ATLAS zorgt een groot magnetisch veld voor het afbuigen van deze reactieproducten. Dit maakt het mogelijk om hun impuls te berekenen. Daarmee kan vervolgens worden vastgesteld om wat voor deeltje het gaat.

ALICE wordt gebruikt om metingen te doen aan botsingen van zware ionen zoals lood. Bij deze botsingen wordt het ongeveer 100.000 keer zo warm als op de zon. Met deze temperatuur worden in ALICE omstandigheden gecreëerd die lijken op de omstandigheden van net na de Big Bang. In het plasma wat hierbij ontstaat ‘smelten’ protonen en neutronen, zodat er metingen kunnen worden gedaan aan quarks. Dit zijn de bestandddelen van protonen en neutronen.

De LHCb detector is speciaal gemaakt voor onderzoek aan materie en anti-materie. Dit onderzoek focust zich op de beauty-quark. Waar ATLAS en CMS reactieproducten opmeten in alle richtingen, worden in LHCb vooral deeltjes opgemeten in de richtingen van de twee deeltjesstralen.

Wat is er door CERN ontdekt?

Door CERN is een aantal zeer belangrijke ontdekkingen gedaan. Enkele opvallende ontdekkingen zijn:

• Anti-waterstofatoom
• Wereldwijde web (www)
• Higgsdeeltje

In 1995 is er door CERN voor het eerst een anti-waterstofatoom ontdekt. Deze bestaat uit een antiproton in plaats van een proton en uit een positron in plaats van een elektron. Deze antimaterie is erg belangrijk om te onderzoeken. Het hele universum bestaat namelijk uit materie en in theorie zou er dan net zoveel antimaterie moeten zijn. Echter kunnen de natuurkundigen deze antimaterie maar moeilijk vinden.

Naast deze antimaterie is ook het wereldwijde web één zeer belangrijke ontwikkeling die uit CERN voortkomt en waar tegenwoordig bijna iedereen gebruik van maakt.

Verder zijn er veel deeltjes van het natuurkundig standaardmodel gevonden. De meest bekende deeltjes die zijn gevonden zijn het Higgsdeeltje en de W en Z bosonen.

Wat is het Higgsdeeltje?

Het Higgsdeeltje is het belangrijkste deeltje in het Higgsveld. Het Higgsveld geeft massa aan alle massa dragende deeltjes in het universum: de quarks en leptonen. Deze interactie vindt plaats via het Higgsdeeltje. In de natuur gedraagt elk deeltje zich als een golf in een veld. Zo is het foton een golf in het elektromagnetisch veld. Ook deeltjes met massa gedragen zich tegelijkertijd als golven in een veld. Hier gaat het namelijk om het Higgsveld.

Het Higgsveld is onzichtbaar, maar omvat het hele universum. Hoe groot de massa van een deeltje is, hangt af van hoeveel interactie hij heeft met het Higgsveld. Hoe meer interactie een deeltje heeft met het Higgsveld, hoe groter zijn massa.

CERN legt deze interactie als volgt uit: Je kunt een deeltje zien als een persoon, die door een groep journalisten (het Higgsveld) heen moet komen. Als de persoon beroemd is, zal hij maar moeilijk door de groep journalisten heenkomen. Het is namelijk een deeltje met een grote massa. Een onbekend persoon komt echter gemakkelijk door de groep journalisten heen. Dit is dan een deeltje met een lage massa. Elektromagnetische golven zoals licht hebben helemaal geen interactie met het Higgsveld. Ze hebben dan ook geen massa.

De theorie van het Higgsdeeltje was al in 1964 bedacht door Peter Higgs, François Englert en vier andere wetenschappers. Het daadwerkelijke deeltje werd echter pas in 2012 ontdekt in het laboratorium van CERN. Er werd gezocht naar een manier om uit te leggen waarom deeltjes massa hebben. In 2013 ontvingen deze wetenschappers hier de Nobelprijs voor de natuurkunde voor.

De ontdekking van het Higgsdeeltje was dus ontzettend belangrijk. Hiermee werd immers eindelijk bewezen hoe deeltjes massa krijgen. Het onderzoek naar het Higgsdeeltje stopt daar echter niet. Er zouden namelijk meerdere Higgsdeeltjes kunnen zijn. Een theoretisch model beschrijft bijvoorbeeld vijf Higgsdeeltjes. Ook kan het Higgsdeeltje een belangrijke rol gaan spelen in de zoektocht naar donkere materie door de interactie met het Higgsveld. Een tot nu toe onontdekte vorm van materie die verschillende fenomenen in de ruimte zou moeten kunnen verklaren.

Wat is het standaardmodel?

Het standaardmodel in de natuurkunde is een verzameling van alle deeltjes waar het universum uit bestaat. Je kunt het vergelijken met het periodiek systeem uit de scheikunde. Echter, het standaardmodel is enkel gericht op de elementaire deeltjes van het universum. Het bestaat uit drie groepen:

• Quarks
• Leptonen
• Bosonen

Alle materie om ons heen bestaat uit kleine deeltjes van materie. Deze deeltjes materie zijn opgedeeld in twee groepen: De quarks en de leptonen. Ze bestaan beiden weer uit 6 verschillende deeltjes, elk met hun eigen antideeltje.

De 6 quarks en leptonen bestaan daarnaast allemaal uit paren en zogeheten generaties:

• Up en down quark paar: eerste generatie
• Elektron en elektron neutrino paar: eerste generatie
• Charm en strange quark paar: tweede generatie
• Top en bottom quark paar: derde generatie

Alle stabiele materie in het universum bestaat uit quarks en leptonen uit de eerste generatie. Een proton bestaat bijvoorbeeld uit twee Up quarks en een Down quark.

Quarks en leptonen uit de tweede en derde generatie leven kort en vervallen snel naar deeltjes uit de eerste generatie. De quarks en leptonen verschillen in elkaar wat betreft massa, lading en spin. De spin is een kwantummechanische eigenschap van deeltjes. Het lijkt een beetje op de rotatie van een deeltje.

Naast de materiedeeltjes staan in het standaardmodel ook de krachtvoerende deeltjes: de bosonen. Het universum wordt in stand gehouden door vier krachten:

• Sterke kracht
• Zwakke kracht
• Elektromagnetische kracht
• Zwaartekracht

Deze vier krachten hebben een verschil in sterkte en werken over verschillende afstanden. Ze werken van het ene deeltje op het andere deeltje. Om deze krachten tussen deeltjes mogelijk te maken bestaan er bosonen.

De zwaartekracht is de zwakste van de vier krachten, maar werkt over een oneindige afstand. Het boson dat de zwaartekracht draagt is het graviton. Het is het enige boson dat nog niet is ontdekt, maar waarvan wetenschappers denken dat het er moet zijn.

De sterkste van de vier krachten is de sterke kracht. Deze werkt op hele korte afstanden en wordt gedragen door het gluon. De kracht die verantwoordelijk is voor onder andere bètaverval is de zwakke kracht. Het wordt gedragen door de Z en W bosonen. De elektromagnetische kracht wordt gedragen door het foton.