De versnellers en de experimenten
Deeltjesversnellers vormen een essentieel onderdeel van het instrumentarium van de fysici. Er zijn twee typen versnellers: in lineaire versnellers zoals de MEA-versneller op het NIKHEF, worden deeltjes door een rechte vacuümbuis gestuurd en in versnellersecties tot steeds hogere energie versneld. In de versnellerringen bij CERN en DESY draaien de deeltjes rond in vrijwel cirkelvomige vacuümbuizen. Op korte rechte stukken worden zij steeds verder versneld terwijl krachtige afbuigmagneten hen door de ring sturen en magnetische lenzen hen bij elkaar houden.
Als de energie van deeltjes toeneemt zijn steeds sterkere magneetvelden nodig om de deeltjes in de ring te houden. Bij de HERA-versneller in Hamburg worden daarom supergeleidende magneten toegepast. Een aantal daarvan is geleverd door de Nederlandse industrie in samenwerking met NIKHEF. Bij de LHC-versneller, waar protonen met een energie van 8000 GeV door de ring gestuurd moeten worden, zullen 1250 supergeleidende magneten gebruikt worden, elk 14 m lang. Ook aan de ontwikkeling van deze magneten werkt NIKHEF, samen met de Nederlandse industrie, mee.
De LEP-versneller is met een omtrek van 27 km de grootste versneller op aarde. Pakketjes elektronen en hun antideeltjes, positronen, draaien met bijna de lichtsnelheid in tegengestelde richting. Er zijn vier experimenten bij de LEP-versneller en aan twee daarvan werkt NIKHEF mee: het L3 en het DELPHI-experiment. Met de enorme LEP-detectoren wordt een grote hoeveelheid meetgegevens verzameld om de theorie van de elektrozwakke wisselwerking te verifiëren.
De L3-detector is de grootste van die detectoren en bevat een magneet - met een lengte van 14 m, een diameter van 16 m - waarin 6500 ton staal verwerkt is. Binnen die magneet bevinden zich verschillende modules zoals dradenkamers om de sporen van de deeltjes te meten en calorimeters om hun energie te bepalen. Met ingebouwde elektronica worden uit een miljoen botsingen alleen de meest interessante gebeurtenissen geselecteerd: binnen ongeveer een duizendste seconde wordt beslist of de meetgegevens al dan niet opgeslagen worden voor verdere analyse.
De ATLAS-detector bij de LHC-versneller zal nog groter en gecompliceerder zijn dan de LEP-detectoren. Hier zullen fysici jacht maken op het Higgs-deeltje. Daarbij zullen ze moeten zoeken naar een speld in een hooiberg want hoewel er een miljard botsingen per seconde zullen plaatsvinden, worden daarin jaarlijks maar enkele Higgs-deeltjes geproduceerd. Aan de detector worden dus extreem hoge eisen gesteld die een geweldige uitdaging vormen voor de fysici en technici die de detector ontwerpen en bouwen.
Behalve botsingsexperimenten worden op het CERN ook experimenten uitgevoerd waarbij een trefplaat met een deeltjesbundel wordt beschoten. Zo'n experiment is CHORUS waar neutrino's bestudeerd worden. Neutrino's bevolken ons heelal maar omdat zij overal vrijwel onopgemerkt door heen vliegen worden zij nauwelijks waargenomen. Door een intense neutrinobundel te gebruiken in combinatie met een robuuste detector (die onder andere 800 kg foto-emulsie, 110 ton lood en 200 ton ijzer bevat) lukt dit toch. Zo kunnen onderzoekers de eigenschappen bepalen van dit deeltje dat een belangrijke rol speelt in de kosmologie.
In andere experimenten worden de protonen en neutronen in atoomkernen uitéén geschoten. Informatie over hun bouwstenen, de quarks, wordt afgeleid uit de gedetecteerde fragmenten. Op deze manier is de theorie van de sterke wisselwerking, die de quarks bijeenhoudt, geverifieerd. Het onderzoek naar quarks en de sterke wisselwerking wordt voortgezet en uitgebreid bij de HERA-versneller in Hamburg.
De ondergrondse tunnel van de HERA-versneller bevat twee boven elkaar gelegen ringen met een omtrek van 6.3 km. In één ring worden elektronen versneld tot 30 GeV, in de andere bereiken de veel zwaardere protonen een energie van 820 GeV. In vier punten botsen de elektronen frontaal op de protonen die daarbij uiteen geslagen worden. De HERA-versneller vormt zo als het ware een reusachtige 'elektronenmicroscoop' waarmee het inwendige van protonen onderzocht wordt. In de experimenten bij HERA worden grote hoeveelheden meetgegevens vastgelegd: bij een experiment kruisen de deeltjesbundels elkaar 100.000 keer per seconde en elke keer zijn er honderden botsingen.
In de ZEUS-detector bij HERA worden de proton-fragmenten gedetecteerd en worden energie en impuls van het elektron na de botsing bepaald. Uit de meetgegevens wordt de quarkstructuur van het proton met een zeer grote precisie afgeleid. Indirekt meten de onderzoekers bij HERA ook de gluonen, de dragerdeeltjes van de sterke kracht. De draairichting (polarisatie) van quarks in protonen wordt onderzocht bij het HERMES experiment.
In een heel ander experiment bij HERA, en in de toekomst ook bij LHC, zijn de detectoren gericht op deeltjes die een 'beauty'-quark bevatten. Via deze deeltjes willen de onderzoekers meer te weten komen over CP-symmetrie, een symmetrie waarin lading en pariteit een rol spelen. Schending van deze symmetrie is ervoor verantwoordelijk dat in het heelal uitsluitend materie en geen anti-materie voorkomt.
Bij de AmPS-versneller in Amsterdam worden de eigenschappen en bewegingen van protonen en neutronen in de atoomkernen bestudeerd. Hiertoe worden pakketjes elektronen in een 180 m lange vacuümbuis versneld tot een energie van ongeveer 600 MeV. De pakketjes elektronen worden vervolgens geinjecteerd in een opslagring met een omtrek van 212 m. Als de ring vol is, worden de elektronen er geleidelijk en in een continue stroom uitgehaald en naar experimenten geleid. Als alternatief kunnen de elektronen ook in de ring blijven ronddraaien; de experimentator laat de elektronen dan in de ring botsen op een zeer dun en meestal gasvormig trefplaatje. Voor zulke experimenten is, in samenwerking met enkele buitenlandse instituten, de Interne Trefplaat Faciliteit gebouwd.
Doordat een continue stroom elektronen gebruikt wordt, is de gevoeligheid van de detectoren bij AmPS enorm vergroot en kunnen unieke experimenten uitgevoerd worden. De atoomkern wordt vaak beschreven met behulp van het schillenmodel: protonen bevinden zich in schillen met een specifieke bindingsenergie en snelheid. Door protonen uit de kern te stoten kunnen onderzoekers precieze informatie over die schillen verkrijgen. Uit zulke experimenten blijkt dat de protonen in zware atoomkernen een verrassend hoge snelheid hebben. Tot voor kort werden snelheden van enige tienden van de lichtsnelheid gemeten. Uit de experimenten bij AmPS blijkt dat in de uiterst kleine kern de snelheid zelfs kan oplopen tot meer dan de helft van de lichtsnelheid.
In de geavanceerde experimenten in de Interne Trefplaat Faciliteit worden ijle gasbundels loodrecht door de elektronenbundel gestuurd. In deze gasbundels draaien alle atoomkernen in dezelfde richting; zij zijn gepolariseerd. Door gelijktijdig een gepolariseerde elektronenbundel te gebruiken, kan bijvoorbeeld de verdeling van (geladen) quarks in het neutrale neutron bestudeerd worden. De produktie van de gepolariseerde elektronen is mogelijk dankzij de halfgeleider kristallen die door het Institute for Semiconductor Physics in Novosibirsk geleverd zijn. De 'Siberian Snake', een supergeleidende spoel van het Budker Instituut in Novosibirsk zorgt er voor dat de elektronen in de versneller gepolariseerd blijven. De uiteindelijke meting wordt verricht met de twintig ton zware 'Big Bite' detector en zal voor het eerst een goed inzicht geven in de ruimtelijke verdeling van het elektromagnetisch veld dat de quarks in een neutron veroorzaken.
Terug naar de index.