donderdag 14 juli 2011

Groeien met quarks

Het is spannend in Genève. Een uniek apparaat van Europese makelij, ‘de krachtigste deeltjesversneller ter wereld’, omringd door experimentele opstellingen waarvoor deeltjesdetectoren ontwikkeld zijn die de nieuwe ‘state of the art’ voor dergelijke detectoren definiëren, maakt het mogelijk de grenzen te verleggen van wat we weten en kunnen. Wat is massa? Ontstaat die door het Higgs deeltje? Kunnen we dat deeltje ontdekken? Dat zijn een paar van de vragen waar we de komende jaren (maanden?) antwoord op hopen te krijgen.

Maar waar is dit goed voor? Wat hebben we eraan? Waarom zouden we investeren in dit soort projecten? Kan het niet een beetje minder? Kunnen we niet even wachten tot de economie weer wat is aangesterkt?

Laat ik U meenemen op een reisje door de tijd. Een kort reisje, een half mensenleven lang.

Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. Ook het eenvoudigste: het bestaat uit een proton waar een elektron zijn baantjes om draait. Ooit werd gedacht dat het proton, net als het elektron een ‘elementair deeltje’ is. Zonder interne structuur, een ‘puntdeeltje’. Volgens de huidige stand van de experimenten is het elektron, meer dan 100 jaar geleden ontdekt, inderdaad een puntdeeltje, een echt elementair deeltje. Het proton is wat complexer. In 1964 postuleerden Gell-Mann en Zweig dat het proton bestaat uit drie bouwstenen die ‘quarks’ gedoopt werden. Die quarks kwamen voor in drie soorten. Zo kunnen dus op 3x3x3 = 27 manieren - drie quarks, drie soorten - deeltjes als het proton worden samengesteld. Niemand nam de quarks echt serieus als werkelijk bestaande deeltjes. Er was nog nooit een quark waargenomen. Bovendien hadden quarks rare eigenschappen: de elektrische lading, bijvoorbeeld, was een fractie 1/3 of 2/3 van de ‘elementairlading’, de lading van het elektron. Maar de 27 deeltjes die dit quarkmodel voorspelt komen wel degelijk voor in de natuur. Ze kunnen met behulp van deeltjesversnellers gemaakt en bestudeerd worden. De quarks werden beschouwd als een trucje om het spectrum van protonachtige deeltjes (ook wel baryonen, ‘zware deeltjes’ genoemd) te kunnen ordenen.

Experimenten die rond 1970 mogelijk werden lieten, eigenlijk tot ieders verrassing, zien dat quarks echt bestaan. Elektronen werden met heel hoge energie op protonen geschoten. Daarbij werden ze soms zo sterk afgebogen (‘verstrooid’) dat dit alleen maar te verklaren was door aan te nemen dat de lading van het proton niet uniform over het proton verdeeld was, maar geconcentreerd was op kleine pitten (‘punten’) in het proton. De quarks waren herontdekt, nu niet als handigheidjes maar als echte, tastbare objecten! Sindsdien is veel onderzoek aan de structuur van het proton en de eigenschappen van quarks gedaan, ook door mijzelf. We hebben fantastisch veel geleerd. Naast de drie quarks van Gell-Mann en Zweig bestaat het proton uit een ‘zee’ van paren van quarks en antiquarks. De quarks worden in het proton bijeen gehouden door een veld dat bestaat uit deeltjes die we gluonen noemen. Een proton bestaat voor ongeveer de helft uit quarks (en antiquarks) en voor de andere helft uit gluonen. Er is een theorie ontwikkeld van de wisselwerkingen tussen quarks en gluonen. Verrassende eigenschappen voorspelt deze theorie: naarmate quarks dichter bij elkaar komen wordt de kracht die ze op elkaar uitoefenen via het gluonveld kleiner, als je ze van elkaar verwijdert gaan ze juist steeds harder aan elkaar trekken! Echt bevrijden uit het proton kun je ze niet, daar zou een oneindige energie voor nodig zijn.

We kennen de structuur van het proton, 40 jaar na de experimentele ontdekking dat er ‘pitjes’ (quarks) in zitten, behoorlijk precies. Laat ik iets beter uitleggen wat ik hiermee bedoel. Stel je een proton voor dat heel snel van links naar rechts over dit scherm beweegt. Een kluitje quarks, antiquarks en gluonen dus. Samen dragen deze ‘partonen’ zoals we ze met een verzamelnaam noemen de impuls (‘de hoeveelheid van beweging’) van het proton. Welke fractie hiervan ze elk afzonderlijk dragen wordt beschreven door ‘parton-dichtheidsfuncties’ (PDF’s). Deze fractie duiden we aan met x, x loopt dus van 0 tot 1. Deze functies zijn gemeten en vrij nauwkeurig bekend. De meest recente, grensverleggende metingen zijn het afgelopen decennium uitgevoerd door experimenten bij de elektron-proton botsende-bundelversneller van het DESY laboratorium in Hamburg. De enige manier om deze PDF’s te kennen is door ze te meten, ze zijn niet te voorspellen of ‘uit te rekenen’. Dat is tenminste nog niemand gelukt, hoewel de onderliggende ‘theorie van quarks en gluonen’ wel bekend is. (Net zo min is begrepen waarom en hoe quarks en gluonen samen een proton vormen: degene die dat uit ‘first principles’ verklaart mag meteen naar Stockholm!) De metingen zijn intrigerend. Bijvoorbeeld: de dichtheid van gluonen in het proton stijgt heel sterk naarmate de fractie x kleiner wordt. Naarmate x kleiner wordt, worden de metingen lastiger: we zijn erin geslaagd tot een waarde 0.00001 (10-5) te komen. Tot die waarde stijgt de gluondichtheid nog steeds door: je zou verwachten dat de gluonen elkaar bij een te grote dichtheid in de weg gaan zitten, maar daar is in de huidige metingen nog geen sprake van.

Dit verhaal begint, min of meer willekeurig, in 1964. Meer dan 4 decennia waren er gemoeid met onderzoek en vervolgonderzoek om van het quarkmodel tot diepe en gedetailleerde kennis over het proton te komen. Alom tegenwoordig, niet groter dan 10-15 meter. En nog steeds is niet alles ‘gemeten en geweten’ over deze eenvoudigste der atoomkernen. Maar mijn betoog gaat niet alleen over het proton: het staat model voor alle wetenschappelijk onderzoek – goed onderzoek leidt tot kennis en tot nieuwe vragen en weer tot vervolgonderzoek etc. Dat is een stroom die niet onderbroken kan worden. Je kunt ook niet even aan de kant blijven staan. Onderbreken betekent contact verliezen, aan de kant staan betekent achterblijven.

Vandaag is de kennis van de structuur van het proton onmisbaar voor het begrijpen van de botsingen tussen protonen bij de Large Hadron Collider, de krachtigste versneller van dit moment en operationeel bij het Europese centrum voor hoge-energiefysica, CERN, in Genève. De protonbotsingen bij de LHC leiden tot enorm complexe eindtoestanden met veel deeltjes, dank zij de hoge energie. Deze energie is nodig in de jacht op nieuwe kennis: het Higgs deeltje en meer. Deze complexe eindtoestanden zijn alleen te analyseren met kennis over de interne structuur, de PDF’s, van het proton. Kennis die is opgebouwd voordat de LHC in bedrijf ging. Sterker nog: de opbouw ervan is begonnen lang voordat ook maar iemand had kunnen vermoeden dat er ooit een LHC zou zijn. Deze kennis zelf zal weer verder worden vermeerderd bij de LHC.

Maar waar is dit allemaal goed voor, wat hebben we aan kennis over de structuur van het proton? Wat hebben we eraan om te weten dat er een Higgs boson is? Het antwoord: waar grenzen van onze kennis bereikt worden willen we die grenzen verleggen – we willen wéten – is niet voor iedereen voldoende. Er is een uitgebreider antwoord mogelijk. Bij het onderzoek zijn studenten en jonge afgestudeerden betrokken. Die leren geweldig veel dat ook buiten het onderzoek, waar ze lang niet allemaal in blijven werken, van belang is. Ze leren met computers werken, programma’s schrijven in geavanceerde talen, statistische methodes gebruiken, microelektronica ontwerpen, projectmatig werken, etc. etc. Bedrijven worden betrokken bij het ontwikkelen van geavanceerde apparatuur, supergeleidende magneten, lichtdetecterende kristallen, supergevoelige sensoren, nieuwe database technieken, nieuwe computerarchitecturen etc. etc. Daarmee verdienen die bedrijven een beetje en leren ze een boel: ze verhogen hun profiel, innoveren, vinden nieuwe markten. Het verleggen van wat we ‘kennen’ vereist dat we verleggen wat we ‘kunnen’. Daarbij staat het ontwikkelen van ‘high tech systemen en materialen’ centraal.

Dus: ook – en niet in de laatste plaats -  nieuwsgierigheidsgedreven ‘vrij’ onderzoek is essentieel voor het in stand houden van een excellente kennisinfrastructuur zonder welke geen enkel land kan groeien.

Geen opmerkingen:

Een reactie posten