ALICE

Het quarkgluonplasma

 

Nikhef is lid van het ALICE experiment, een van de detectoren bij de Large Hadron Collider (LHC) van CERN in Genève. Ruim 1000 wetenschappers proberen hier antwoorden te vinden op fundamentele vragen rondom de bouwstenen van het universum. We weten dat materie is opgebouwd uit atomen, die weer bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. ALICE richt zich met name op quarks en gluonen, de elementaire deeltjes die opgesloten zitten in protonen en neutronen.

ALICE staat voor ‘A Large Ion Collider Experiment’ en is een van de detectoren bij de LHC van CERN in Genève. De LHC is een deeltjesversneller: het produceert botsingen tussen protonen met ongekende energie die daardoor in brokstukken uiteenspatten. Door deze brokstukken te analyseren, hopen onderzoekers nog onbekende vormen van materie te ontdekken

ALICE bestudeert voornamelijk het botsen van zware atoomkernen (o.a. loodionen). Als zulke zware atoomkernen met bijna de lichtsnelheid op elkaar botsen, stijgt de temperatuur ter plekke tot wel 2000 miljard graden, 100.000 keer hoger dan in de kern van de zon. De onderzoekers bootsen zo in feite de situatie na zoals die bestond een paar microseconden na de oerknal, toen het heelal ontstond. Deze temperatuur is nodig om een zogenaamd quark-gluonplasma te creëren waarmee de geheimen van deze elementaire deeltjes ontrafeld kunnen worden.

De materie waar het heelal (en wij dus ook) uit 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. Waarom is dit? Kunnen we een manier 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 waar het proton uit bestaat. Niks is minder waar. Het blijkt namelijk dat de quarks samen slechts 1% van de massa van een proton opmaken. 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 (het quark-gluonplasma) en deze te bestuderen 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 het inwendige van neutronensterren.

De metingen van ALICE tonen aan dat de geproduceerde hete materietoestand hier bijzondere eigenschappen heeft. Het is dermate dicht dat hij 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 dit verklaard kan worden door middel van veranderingen in de sterke kernkracht.

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

Nikhef en de Universiteit van 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 in een botsing van twee loodkernen. Hieruit kan met geavanceerde statistische technieken het collectieve stromingspatroon van de geproduceerde deeltjes worden gemeten, Hieruit kunnen vervolgens via hydrodynamische modellen verschillende eigenschappen van het quark-gluonplasma worden bepaald.

Nikhef speelt een leidende rol in dergelijke analyses die al geleid hebben 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.

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.

Lees meer over ALICE in het Nikhef-Jaarverslag 2016

Lees meer over ALICE in het Nikhef-Jaarverslag 2015

Lees meer over ALICE in het Nikhef-Jaarverslag 2014

De ALICE-website op CERN

Programmaleider ALICE