ALICE

Het quarkgluonplasma

Nikhef is lid van het ALICE-experiment, een van de detectoren bij de Large Hadron Collider van CERN in Genève. Ruim duizend wetenschappers proberen hier antwoorden te vinden op fundamentele vragen rondom de bouwstenen van het universum. ALICE richt zich met name op quarks en gluonen. Dat zijn de elementaire deeltjes die opgesloten zitten in protonen en neutronen. En dat zijn weer de bouwstenen van atomen waarvan alle materie is gemaakt.

Wat is ALICE?

ALICE staat voor ‘A Large Ion Collider Experiment’. ALICE bestudeert voornamelijk het botsen van zware atoomkernen (onder andere lood-ionen). Als zulke zware atoomkernen met bijna de lichtsnelheid op elkaar botsen, stijgt de temperatuur ter plekke tot wel 2000 miljard graden. Dat is 100.000 keer hoger dan in de kern van de zon. Bij deze temperatuur ontstaat het zogeheten quark-gluonplasma. Dat plasma moet er ook een paar microseconden na de oerknal geweest zijn, toen het heelal ontstond.

Wat onderzoekt ALICE?

De materie waaruit het heelal (en wij dus ook) bestaat, is opgebouwd uit atomen. Elk atoom bestaat uit een kern van protonen en neutronen waaromheen elektronen ‘cirkelen’. Elektronen zijn elementaire deeltjes. Ze zijn – voor zover wij nu weten – niet verder deelbaar. Protonen en neutronen zijn nog wel deelbaar. Ze zijn opgebouwd uit quarks die weer bijeengehouden worden door gluonen.

De quarks en gluonen zitten opgesloten in protonen en neutronen en worden nooit daarbuiten waargenomen. Onderzoekers willen weten waarom dit zo is en of ze een manier kunnen vinden om quarks vrij te laten uit hun proton- of neutrongevangenis. Daarnaast bestaan er veel vragen omtrent de massa van quarks. Zo zou je verwachten dat de massa van een proton gelijk is aan de massa van de drie quarks waaruit het proton bestaat. Niks is minder waar. Het blijkt namelijk dat de quarks samen slechts 1% van de massa van een proton voor hun rekening nemen. Waar komt de rest vandaan? Kan de sterke kernkracht, die de quarks in het proton ‘gevangen’ houdt, dit verklaren?

Om de mysteries rond quarks en gluonen op te lossen, probeert het ALICE-experiment quarks en gluonen bij extreem hoge temperatuur in een nieuwe aggregatietoestand te brengen. Dat is het quark-gluonplasma. De onderzoekers bestuderen dit plasma voordat de quarks afkoelen en zich weer hergroeperen in ‘normale’ materie. Het Standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt het bestaan van dit quark-gluonplasma indien de druk en temperatuur hoog genoeg zijn, zoals vlak na de oerknal of misschien nu nog in de kern van neutronensterren.

De metingen van ALICE tonen aan dat de geproduceerde hete materietoestand bijzondere eigenschappen heeft. Het plasma is zo dicht dat het zelfs de meest doordringende straling absorbeert. Bovendien gedraagt de materie zich als een ‘perfecte vloeistof’ met uiterst geringe stroperigheid. Met toekomstige metingen in ALICE hoopt men beter te begrijpen hoe deze verschijnselen verklaard kunnen worden door veranderingen in de sterke kernkracht.

De studie van het quark-gluonplasma zal, zo verwachten de onderzoekers, unieke inzichten verschaffen over het ontstaan van het heelal. Deze inzichten kunnen niet verkregen worden door observaties met telescopen of satellieten.

Wat is de rol van Nikhef?

Nikhef en de Universiteit Utrecht hebben in een internationaal samenwerkingsverband in belangrijke mate bijgedragen aan het ontwerp en de constructie van de Silicon Tracker in het hart van het ALICE-experiment. Deze detector is een vitaal onderdeel van het tracking-systeem dat nauwkeurig alle sporen reconstrueert van de duizenden geladen deeltjes die worden geproduceerd als twee loodkernen botsen. Uit de sporen kan met geavanceerde statistische technieken het collectieve stromingspatroon van de geproduceerde deeltjes worden gemeten. Hieruit kunnen vervolgens via hydrodynamische modellen de verschillende eigenschappen van het quark-gluonplasma worden bepaald.

Nikhef speelde een leidende rol in de analyses die leidden tot de waarneming dat het quark-gluonplasma zich blijkt te gedragen als een ideale vloeistof.

Nikhef werkt ook mee aan verschillende andere onderzoeken die ten doel hebben de interactie van quarks te bestuderen bij extreem hoge druk en temperatuur.

Meer informatie

Fundamenteel onderzoek 

Dit onderzoek is een goed voorbeeld van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, gericht op het vergaren van basiskennis over alles om ons heen. Aan de basis van dit type onderzoek staat nieuwsgierigheid naar hoe de wereld om ons heen in elkaar zit en hoe het is ontstaan. Veel weten we al, bijvoorbeeld dat alle materie opgebouwd is uit atomen, maar er zijn ook nog veel open vragen.

Fundamenteel onderzoek is niet gericht om op korte termijn toepassingen te realiseren. Toch is één ding zeker: niemand kan voorspellen welke baanbrekende toepassingen op termijn uit het onderzoek zullen voortkomen. De geschiedenis leert dat de fundamentele kennis van vandaag de voedingsbodem is voor de ontdekkingen van morgen.

De ALICE-website op CERN