Alice en de quarksoep

In tegengestelde richting suisden loodkernen door de LHC-versneller van het Cern. Alice registreerde de onvermijdelijke botsingen.

Margriet van der Heijden

Alice weegt evenveel als de Eiffeltoren, ongeveer 100.000 ton. Ze is wel veel compacter. Als je Alice uit haar ondergrondse kelderruimte kon optakelen en vervoeren, dan zou je haar gemakkelijk tussen de vier pijlers van de Parijse toren kunnen schuiven.

Alice is een van de vier grote meetapparaten bij de LHC-versneller van het Cern, het Europees centrum voor deeltjesonderzoek bij Genève. Die 27 kilometer lange ringvormige deeltjesversneller is de krachtigste op aarde. Hij ligt diep onder de grond, deels in Zwitserland en deels in Frankrijk.

Ook Alice staat onder de grond. In een grote kelder bij het Franse Ségny, op 52 meter diepte. Het meetapparaat heeft de vorm van een liggende cilinder, 26 meter lang en met een diameter van 20 meter. De bundelpijpen van de LHC-versneller lopen er dwars doorheen, in de lengterichting.

De afgelopen twee weken suisden er voor het eerst zware loodkernen door die pijpen. Met nagenoeg de lichtsnelheid draaiden ze elke seconde 10.000 rondjes door de versnellerring – sommige tegen de klok in, andere met de klok mee. Alice deed intussen waarvoor ze is ontworpen en gebouwd: registreren wat er gebeurt als twee van die loodzware en supersnelle kernen frontaal op elkaar botsen, diep in het hart van haar cilinder.

Mini big bangs noemen de Cern-fysici zulke deeltjesbotsingen. Héél kortstondig en héél lokaal wordt bij zo’n klap namelijk zoveel energie samengebald dat de omstandigheden lijken op die in het heelal, een honderdduizendste seconde na de oerknal.

De temperatuur loopt op tot 1.500 miljard graden, 100.000 keer de temperatuur in het hart van de zon. De loodkernen vallen uit elkaar in hun allerkleinste bouwsteentjes, de ‘quarks’. En er ontstaat een minuscuul druppeltje van de gloeiendhete quarksoep die de kosmos kort na de oerknal moet hebben gevuld.

BIG BANG

“LHC zorgt nu voor ongeveer vijftig frontale lood-loodbotsingen per seconde”, zegt Raimond Snellings. Hij is hoogleraar zware-ionenfysica in Utrecht en leidt de Nederlandse groep die meegeholpen heeft om Alice te bedenken en te bouwen. Dat gebeurde vanuit Utrecht en het Nikhef, het Nederlands instituut voor deeltjesfysica in Amsterdam.

De afgelopen twee weken zat Snellings vaak in de bovengrondse bedieningskamer in Ségny. “Het is fantastisch om te zien hoe Alice bij zo’n lood-loodbotsing helemaal oplicht.”

Daar zorgen de ruim drieduizend deeltjes voor die gemiddeld bij elke botsing uit het minuscule druppeltje quarksoep voortkomen. Kortlevende deeltjes zoals kaonen en pionen die ontstaan als twee quarks uit de snel afkoelende soep samenklonteren. Zwaardere baryonen die uit combinaties van drie quarks bestaan. En lichtdeeltjes, fotonen, die, net als de gloed van een gloeiende kachel of de stralen van een ster, een maat zijn voor de temperatuur, in dit geval van het drupje quarksoep.

Elk deeltje laat, als het goed is, zijn spoor na in Alice. Pal rond het punt van de botsing zorgen elektrisch geladen deeltjes voor signalen in detectoren die uit silicium pixels en dunne strookjes silicium bestaan. In een verder naar buiten gelegen detector trekken elektrisch geladen deeltjes sporen door een goed gekozen gas. Massaloze en elektrisch neutrale lichtdeeltjes worden onder meer geregistreerd in speciale kristallen, die net zo transparant zijn als glas en die net zo’n grote dichtheid hebben als lood.

De deeltjessporen vastleggen is cruciaal. Jagers kunnen aan de hand van sporen een ree van een zwijn onderscheiden. Net zo kunnen deeltjesjagers op het Cern uit deeltjessporen aflezen welk deeltje er voorbijtrok en welke eigenschappen het had.

Extra hulpmiddelen verfijnen die zoektocht. De tijdspanne waarin deeltjes het gas in bepaalde detectoren passeren, onthult bijvoorbeeld hun massa: zware deeltjes bewegen bij dezelfde energie langzamer dan lichte deeltjes. De manier waarop deeltjes afremmen of zelfs vastlopen in verder naar buiten gelegen massieve detectoren is een maat voor hun energie. En alle detectoren liggen besloten in een enorme cilindervormige magneet. Het magneetveld buigt het pad van elektrisch geladen deeltjes af. Informatief, want de mate waarin zijn spoor kromt, verraadt de impuls (de hoeveelheid beweging) van een geladen deeltje.

Zo liggen 18 detectoren als de schillen van een ui in de cilinder: om de deeltjes te volgen, te identificeren, en om hun impuls en energie te bepalen. Vliegensvlugge elektronica en supersnelle computersystemen leggen alle meetgegevens vast en computers reconstrueren uit alle losse meetpunten vrijwel onmiddellijk en gedetailleerd elk deeltjesspoor. Daardoor kunnen Snellings en zijn collega’s in de bedieningskamer in een tel zien hoe de duizenden deeltjes uit één botsing door Alice schieten.

Alsof heel Alice ineens oplicht.

En dan? De deeltjessporen voeren de fysici terug naar de quarksoep, en door die te bestuderen willen ze een stukje van de geschiedenis van de kosmos invullen.

In grote lijnen denken ze die geschiedenis wel te kennen. Een honderdduizendste seconde na de oerknal was het universum gevuld met een gloeiend heet plasma – een wirwar van quarks en van de gluonen die quarks onderling voortdurend uitwisselen. Binnen seconden klonterden die quarks al samen tot kerndeeltjes: protonen en neutronen, die elk uit drie quarks bestaan. Drie minuten later ontstonden uit die kerndeeltjes lichte atoomkernen zoals waterstof (één proton) en helium (twee protonen en twee neutronen). Na ruwweg 380.000 jaar kwamen daaruit neutrale waterstofatomen voort en heliumatomen – de grondstoffen voor de eerste generatie sterren in de kosmos.

GROEPJES VAN DRIE

De nog onbekende details schuilen onder meer in de sterke kracht. Die kracht bindt de quarks (via het uitwisselen van gluonen) samen tot zwaardere deeltjes, zoals die kerndeeltjes. Maar waarom worden quarks nooit in hun eentje, los en vrij, aangetroffen? Waarom komen ze uitsluitend voor in groepjes van twee of van drie en zijn ze uit die groepjes onmogelijk los te weken?

Nog een vraag: hoe komt het dat de massa’s van de drie quarks opgeteld maar 1 procent vormen van de massa van een kerndeeltje? Waar komt de resterende 99 procent massa van zo’n kerndeeltje vandaan? Heeft de sterke kracht daar iets mee te maken?

De eerste twee papers die donderdag de deur uitgingen, beantwoorden die vragen niet. Ze werpen wel meer licht op de sterke kracht, zegt Snellings.

Het interessantst vindt hij de paper waaraan twee van zijn promovendi meewerkten. Ze schrijven dat het quark-gluonplasma zich gedraagt als een nagenoeg ideale vloeistof – een vloeistof dus die niet stroperig is, waarin geen wrijving optreedt en waarin geen klontjes ontstaan. “Alsof de deeltjes in het plasma samen één object vormen”, zegt Snellings. “En dat betekent dat de wisselwerking tussen de quarks in het plasma echt heel erg sterk moet zijn.”

Hoe sterk? Tot Kerst moet de LHC-versneller voor lood-loodbotsingen blijven zorgen, moet Alice voor deeltjessporen blijven zorgen, en moeten fysici proberen op zulke vragen een (begin van een) antwoord te vinden.