Quark-gluon plasma


Alice uit "Alice in Wonderland"

'Volgens afspraak is er kleur, volgens afspraak zoet,volgens afspraak bitter, maar in werkelijkheid zijn er atomen en ruimte.' Dit schreef de Griekse filosoof Democritus in de vierde eeuw voor Christus. Meer dan 2000 jaar later bleek dat materie inderdaad uit karakteristieke atomen is opgebouwd: ijzer bestaat uit ijzeratomen, zuurstof uit zuurstofatomen enzovoorts. Al deze elementen werden gerangschikt in het periodiek systeem van Mendelejev. In de wereld om ons heen zijn atomen vaak gebonden in moleculen: ze worden daarin bijeengehouden door de elektromagnetische kracht. Deze kracht speelt ook een rol in het atoom zelf dat bestaat uit een kleine positief geladen kern met daaromheen een wolk van negatief geladen elektronen, die door de elektromagnetische kracht bij de kern gehouden wordt.

In de twintigste eeuw bleek dat de atoomkern is opgebouwd uit kleinere deeltjes: de positief geladen protonen en de elektrisch neutrale neutronen. Deze worden in de kern bijeen gehouden door de sterke kracht, ook wel kernkracht genoemd. Protonen en neutronen bleken op hun beurt uit deeltjes te bestaan, die we quarks noemen, en die eveneens onderhevig zijn aan de sterke kracht. Elk proton en neutron bevat steeds drie quarks. Daarnaast bevatten protonen en neutronen 'lijmdeeltjes' die de quarks bij elkaar houden. Deze zogeheten gluonen (glue = lijm) zijn op te vatten als de dragerdeeltjes van de sterke kracht. Bovendien maken ze een aanzienlijk deel van de massa van de protonen en neutronen uit. Het gedrag van de quarks en de gluonen wordt beschreven met een theorie die Quantumchromodynamica wordt genoemd.


De ALICE detector, voor het observeren van zware-ionenbotsingen bij de LHC van CERN in Genève. De botsingen vinden plaats in het centrum van de detector. ALICE bestaat uit verschillende componenten die elk karakteristieke eigenschappen van het quark-gluonplasma zullen meten.

Materie was echter niet altijd op deze manier geordend. Vlak na de Oerknal, toen ons heelal ongeveer tien microseconden oud was, bestonden er geen protonen en neutronen of atoomkernen. Quarks en gluonen vlogen vrij rond in een zogeheten quark-gluonplasma. Dit plasma is eigenlijk een andere verschijningsvorm - een 'aggregatietoestand' - van kernmaterie, net zoals ijs en stoom andere verschijningsvormen van water zijn. Om zo'n toestand te beschrijven gebruiken we een toestandsvergelijking die het verband aangeeft tussen temperatuur, druk en volume. Het quark-gluonplasma bestond overigens niet alleen ten tijde van het vroege universum. Het speelt ook een rol in het binnenste van zeer dichte, zogeheten neutronensterren. De druk in het binnenste van deze sterren loopt zo hoog op dat de grenzen tussen protonen en neutronen verdwijnen en de kernmaterie overgaat in een quark-gluonplasma. Het is dus om meer redenen interessant om de toestandsvergelijking van dit plasma te achterhalen.

Een botsing van twee loodionen. Door het effect van de relativiteitstheorie zijn de ionen vervormd tot dunne schijfjes. De protonen en neutronen in de ionen passeren elkaar praktisch ongehinderd en laten in hun kielzog de toestand van quarks en gluonen, het quark-gluonplasma achter.

Om het quark-gluonplasma te bestuderen, moeten we zo'n plasma in laboratoria op aarde namaken. Dat is niet eenvoudig, maar dankzij de modernste versnellertechnologie is het wel mogelijk, zij het kortstondig. Eerst worden zware atomen zoals loodatomen geïoniseerd (er worden elektronen afgepeld) en versneld tot hoge energieën. Wanneer nu twee van zulke versnelde zware ionen op elkaar botsen, ontstaat een klein pakketje quark-gluonplasma, dat vervolgens heel snel afkoelt en 'condenseert' tot gewone kernmaterie. Bij de condensatie komen deeltjes vrij, zoals kaonen en pionen. Ook uit het plasma zelf komen deeltjes tevoorschijn zoals fotonen en elektronen. In een complexe detector worden al deze deeltjes gemeten. Aan de hand hiervan proberen natuurkundigen vervolgens de toestandsvergelijking van het quark-gluonplasma te begrijpen.

Een botsing van twee loodionen, gezien door het NA49-experiment. De gele en rode lijnen zijn sporen van geladen deeltjes, gemeten in een'Time Projection Chamber'. Een dergelijk instrument zal ook deel uitmakenvan de ALICE-opstelling.

Nederlandse fysici uit Amsterdam (NIKHEF) en van de Universiteit Utrecht zijn betrokken bij zo'n experiment, genaamd ALICE, aan de Large Hadron Collider (LHC) van het CERN in Genève. In de LHC-versneller zullen onder andere loodionen versneld worden. Vervolgens worden ze in botsing gebracht op een punt waar de ALICE-detector omheen is geplaatst. De detector is nog in aanbouw en de Nederlandse fysici zijn verantwoordelijk voor het ontwerp en de bouw van een tweetal lagen van siliciumdetectoren. Hierin zullen voornamelijk geladen deeltjes met relatief lage energie (met kleine impulsen) gemeten worden. Dit is ondermeer van belang om de temperatuur van het stukje quark-gluonplasma vast te stellen. Dat laatste is weer essentieel voor de bepaling van de toestandsvergelijking.

Rond 2005 verwachten we de eerste botsingen van loodionen bij de allerhoogste energieën (5 TeV per proton of neutron ). Voor het eerst zullen we dan in het laboratorium op kleine schaal het binnenste van een neutronenster nabootsen en kunnen we waarnemen hoe ons heelal er tien microseconden na de Oerknal uitzag.



Een prototype van een silicium detector, ontwikkeld aan de Universiteit Utrecht, voor de binnenste lagen van de geladen-deeltjesdetector van ALICE.
Het donkere vlak aan de rechterkant is de sensor. De sensor is verbonden met de elektronica (ter hoogte van de paperclip) doormiddel van microkabels. Microkabels zijn afkomstig van het Russische ruimtevaartprogramma. Zij vereenvoudigen het productieproces aanzienlijk.

Terug naar de index.