Snelle protonen in lood
Een deel van het onderzoek dat op het NIKHEF plaatsvindt, richt zich op het bestuderen van de atoomkern.
De atoomkern is stabiel dankzij een voortdurend krachtenspel van aantrekkende en afstotende krachten tussen de deeltjes in de kern: de protonen en de neutronen. De aantrekkende kracht zorgt ervoor dat de kerndeeltjes bij elkaar blijven, en de afstotende kracht zorgt ervoor dat de kern niet ineenstort. De afstotende kracht treedt in werking als de kerndeeltjes elkaar dichter dan twee keer hun straal naderen (zie figuur 1).
De deeltjes bevinden zich niet op vaste posities in de kern, maar bewegen voortdurend door de hele kern heen. De snelheden waarmee de kerndeeltjes bewegen lopen nogal uiteen: de meeste deeltjes hebben een snelheid ergens tussen 0 m/s en een kwart van de lichtsnelheid, maar sommige deeltjes hebben een extreem hoge snelheid, tot ruim de helft van de lichtsnelheid . Deze extreem hoge snelheid is een gevolg van de afstotende kracht, die de deeltjes, als ze elkaar erg dicht naderen, uit elkaar drijft. Het aantal deeltjes met zo'n extreem hoge snelheid is daarmee een maat voor de sterkte van de afstotende kracht.
Met de MEA/AmPS-versneller worden experimenten uitgevoerd om dit soort snelheden te bepalen, om daarmee een beter inzicht te krijgen in de afstotende kracht die tussen de deeltjes in de atoomkern werkt. Hiertoe worden loodatomen, met 208 deeltjes in de kern, beschoten met de hoog-energetische elektronenbundel die de versneller levert. De verstrooide elektronen worden geregistreerd met een grote magneet, en met een tweede magneet wordt de snelheid gemeten van de protonen die door de elektronen uit de atoomkern zijn gestoten. Uit de snelheden waarmee de verstrooide elektronen en het uit de kern gestoten proton uiteindelijk aankomen, is de oorspronkelijke snelheid van het proton in de kern te berekenen. (soort miniatuur biljart, waarbij alle ballen bewegen) en op die manier kun je precies bepalen hoeveel protonen in de kern zo'n extreem hoge snelheid hebben.
De theorie lijkt dus simpel maar in de praktijk zijn zulke experimenten niet eenvoudig. Hoewel er in dit experient per seconde tien biljoen elektronen op de atoomkernen afgevuurd worden, komt maar een deel dicht in de buurt van die kernen, een veel kleiner deel dringt er in door, en een minieme fractie raakt ook daadwerkelijk zo'n snel proton in de kern. Om een idee te geven: in het experiment dat op NIKHEF is uitgevoerd namen we slechts 5 protonen per dag waar die de halve lichtsnelheid hadden. Zulke zeldzame gebeurtenissen moeten goed onderscheiden kunnen worden van alle andere deeltjes die de detectoren bereiken. Dat stelt hoge eisen aan die detectoren maar ook aan de kwaliteit van de gebruikte bundel elektronen. Zonder de specifieke eigenschappen van de bundel uit AmPS zou dit experiment onmogelijk zijn.
De resultaten van deze experimenten zijn verrassend. In figuur 2 staan de gemeten verdelingen van de protonsnelheid en de op theoretische berekeningen gebaseerde verdelingen uitgezet. Als in de theorie alleen rekening gehouden wordt met de aantrekkende kracht tussen de deeltjes (blauwe lijn), kloppen de waarnemingen slechts voor protonen met snelheden tot ongeveer een kwart van de lichtsnelheid. Maar als ook rekening gehouden wordt met de afstotende krachten (rode lijn), blijken de gemeten proton-snelheidsverdelingen bij hoge snelheden nog steeds af te wijken van de berekende curve!
Het verschil tussen deze laatste kromme en de metingen is een aanwijzing dat de afstotende kracht tussen twee kerndeeltjes in een kern waarschijnlijk niet het zelfde is als de kracht tussen twee vrije kerndeeltjes, waar bij de berekingen vanuit wordt gegaan. In een groter gezelschap blijken de kerndeeltjes zich anders te gedragen dan als ze alleen zijn!
Met de MEA/AmPS-versneller worden thans experimenten uitgevoerd die op dit probleem nader licht moeten werpen. Het meest veelbelovend zijn experimenten van dezelfde soort hier beschreven, waarbij geprobeerd wordt beide partners die ten gevolge van een frontale botsing zo'n hoge snelheid hebben gekregen, tegelijkertijd waar te nemen.
Terug naar de index.