Wetenschappers brouwen de spetters van de oersoep

Natuurkunde In deeltjesversnellers creëren wetenschappers de hete soep van net na de oerknal, quark-gluonplasma. Zo komen we meer te weten over de snaartheorie en mogelijk ook over neutronensterren.

Een detector in de deeltjesversneller van het Cern in Genève laat het signaal zien dat ontstaat nadat een toestand van het heelal vlak na de oerknal is nagebootst. Foto ALICE

Lang, heel lang geleden, enkele miljoensten van een seconde na de oerknal, bestond het heelal voor heel even uit een hete soep van elementaire deeltjes genaamd quarks en gluonen. Deze elementaire soep had een temperatuur van honderden biljoenen graden Celsius. Na enkele microseconden was dit zogeheten quark-gluonplasma zo ver afgekoeld dat de elementaire deeltjes samensmolten tot protonen en neutronen, de bouwstenen van atoomkernen en dus van bijna alle materie om ons heen.

De laatste jaren lukt het wetenschappers om de extreme omstandigheden van vlak na de oerknal op aarde na te bootsen en zo een quark-gluonplasma te maken. Dat doen ze door zware atoomkernen op elkaar te knallen in deeltjesversneller zoals de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in de Verenigde staten en de Large Hadron Collider (LHC) van Cern op de Frans-Zwitserse grens.

Dat doen ze niet alleen om te kijken óf het kan, de wetenschappers hopen via het plasma ook meer te weten te komen over bijvoorbeeld neutronensterren, waarvan het binnenste mogelijk uit quark-gluonplasma bestaat. En ook de snaartheorie, die tracht de fundamentele natuurkrachten te beschrijven in één allesomvattend model en notoir lastig te testen is, kan baat hebben bij het plasma-onderzoek. Daarover verderop meer.

Wetenschappers onderzoeken met deze versnellers hoe het piepjonge heelal er in deze levensfase uit zag en wat de eigenschappen zijn van het bijzondere plasma. Een van de ontdekkingen is dat het plasma zich, tegen de verwachtingen in, blijkt te gedragen als een ideale vloeistof. Een ideale vloeistof is een vloeistof zonder inwendige wrijving waardoor het supermakkelijk en snel stroomt.

Paren of trio’s

Het quark-gluonplasma is verdomd ingewikkeld om te produceren en bestaat alleen bij hoge temperatuur en druk, dus huis-, tuin- en keukentoepassingen zijn er niet. „Het onderzoek dat we doen is echt fundamenteel”, vertelt Johanna Stachel, hoogleraar experimentele deeltjesfysica aan de Universität Heidelberg in Duitsland. Ze legt geduldig en geroutineerd het complexe quark-gluonplasma-onderzoek uit waar ze sinds het prille begin bij betrokken is.

Onlangs was Stachel in Nederland voor een jaarlijks Natuurkunde congres waar ik haar sprak. „De eerste vraag die we wilden beantwoorden was óf we deze vorm van materie op aarde konden maken. Inmiddels weten we dat dat kan. Nu beginnen we de eigenschappen van het plasma te ontrafelen.”

Volgens de huidige kennis zijn de elementaire deeltjes waar het plasma uit bestaat, de quarks en gluonen, de kleinste bouwstenen waar atoomkernen uit bestaan. Atomen zijn opgebouwd uit een atoomkern en eromheen draaiende elektronen. De kernen bestaan op hun beurt uit protonen en neutronen, die elk uit drie quarks bestaan. De quarks worden bij elkaar gehouden door gluonen, een soort krachtdeeltjes die werken als een veer; hoe verder quarks bij elkaar vandaan zijn, hoe sterker de gluonen ze weer naar elkaar toe trekken. Quarks zijn dankzij gluonen zo sterk met elkaar verbonden dat ze onder normale omstandigheden niet los voorkomen, maar enkel als gebonden paren of trio’s in deeltjes zoals protonen en neutronen. Alleen bij extreem hoge druk en/of temperatuur hebben de quarks en gluonen zoveel energie dat ze vrij kunnen bewegen.

Loodkernen in een versneller

Deeltjesversnellers zijn pas de laatste jaren in staat die extreme omstandigheden te creëren. In de LHC wordt dat gedaan door de kernen van loodatomen met bijna de lichtsnelheid op elkaar te knallen. Meestal razen er protonen door de 27 kilometer lange, cirkelvormige buizen van de LHC, maar één maand per jaar worden die vervangen door loodkernen. „We gebruiken loodkernen omdat die meer massa hebben dan protonen”, vertelt Stachel. „Meer massa betekent dat er bij een botsing meer energie vrijkomt.” Een vrachtwagen botst ook heviger op een muur dan een fiets met dezelfde snelheid.

Alleen al door de hoge snelheid vervormen de loodkernen. Ze zien er niet langer uit als bolletjes, maar als pannenkoeken. Tijdens de botsingen in de detectoren van de LHC worden de deeltjes in de loodkernen zo dicht op elkaar geperst dat er vijftig protonen in een volume van één proton geperst worden. Daarbij loopt de temperatuur op tot 200.000 keer die van het binnenste van de zon. Dat is de hoogste temperatuur die de mensheid ooit gecreëerd heeft.

Bij deze extreme temperaturen versmelten de protonen en neutronen waar de loodkernen uit opgebouwd zijn tot een quark-gluonplasma. Dat plasma zet uit en koelt weer af waardoor de quarks en gluonen weer bij elkaar klonteren en er duizenden deeltjes, zoals protonen en neutronen ontstaan.

Het plasma bestaat onvoorstelbaar kort in de LHC: een honderdduizendste van een triljoenste seconde (10-23 seconde). Dat is te kort om het plasma te kunnen bestuderen. De onderzoekers kunnen de quark-gluonsoep zelf dus niet bekijken, maar wel de spetters die na de botsingen ontstaan. De detectoren, waaronder het ALICE-experiment (zie kader rechts), dat gespecialiseerd is in het bestuderen van loodbotsingen, kijken daarom naar de duizenden deeltjes die ontstaan nádat het plasma is afgekoeld.

„Uit de soort deeltjes die ontstaan en hun eigenschappen, kunnen we afleiden dat de quarks zich echt in een vrije, plasma-toestand bevonden”, vertelt Stachel. „En door te kijken welke kant de deeltjes op bewegen en hoe hun massa verdeeld is, kunnen we afleiden bij welke temperatuur ze waren gevormd.” Die temperatuur komt goed overeen met de theoretisch voorspelde ‘kritische temperatuur’, de temperatuur waarbij de quarks en gluonen ver genoeg zijn afgekoeld en weer ‘normale’ materie gaan vormen.

Naast de kritische temperatuur kunnen ook andere eigenschappen van het quark-gluonplasma, met wat moeite en heel veel metingen, afgeleid worden uit de deeltjesfontein die ontstaat na de botsing. Deze eigenschappen zijn lastig te voorspellen omdat het plasma een nieuwe toestand van materie is. Materietoestanden zijn de verschillende vormen waarin een stof voor kan komen. Zo heeft water drie algemeen bekende toestanden: ijs, vloeibaar water en damp.

Die eigenschappen van het plasma zijn interessant omdat de snaartheorie er voorspellingen over doet. Een van de waarden waar de theorie voorspellingen over doet is de viscositeit, oftewel de stroperigheid van het plasma. Uit experimenten bleek de viscositeit bijna afwezig. Dat betekent dat het plasma zich gedraagt als een ideale vloeistof. „De waarde van de viscositeit die wij meten in experimenten blijkt erg goed overeen te komen met bepaalde voorspellingen van de snaartheorie, maar de metingen zijn nog niet goed genoeg om sterke uitspraken te doen”, vertelt Stachel.

Kleine ster, grote dichtheid

Een andere fundamentele toepassing van het quark-gluonplasma is misschien te vinden in de sterrenkunde. „Het is mogelijk dat het binnenste van neutronensterren uit quark-gluonplasma bestaat”, zegt Stachel. Een neutronenster is het eindstadium van een zware ster die aan het eind van zijn leven ineengestort is tot een kleine kern met een hoge dichtheid. Neutronensterren hebben een kleine diameter van ongeveer tien kilometer, maar wegen 1,5 tot 3 keer zoveel als de zon. De dichtheid van neutronensterren is zo hoog dat het binnenste mogelijk bestaat uit een quark-gluonplasma. De temperatuur in deze sterren is minder hoog dan die in de LHC en RHIC bereikt wordt om het plasma te maken, maar de druk is vele malen hoger, waardoor het plasma toch kan ontstaan.

„Als deze materietoestand ook voorkomt in het binnenste van neutronensterren, dan kan dat het gedrag van neutronensterren, zoals de rotatie, beïnvloeden”, zegt Stachel. „Dat idee bestaat al langer, maar de rotatie van neutronensterren konden we lang niet goed meten.” Sinds kort kan dat wel, dankzij de detectie van zwaartekrachtgolven. Een prestatie die vorig jaar beloond werd met de Nobelprijs. „Als we binnenkort meer van dit soort observaties hebben, dan kunnen we aan de hand van de zwaartekrachtgolven die daarbij ontstaan het gedrag van neutronensterren bestuderen en dat toetsen aan onze quark-gluonplasma modellen. Het is goed mogelijk dat we er dan achter komen dat het binnenste van neutronensterren uit dit plasma bestaat.”

Door metingen met zwaartekrachtgolven detectoren te combineren met experimenten als ALICE van de LHC kunnen theorieën over het quark-gluonplasma die al jaren op de plank lagen getest worden. Er zijn bijvoorbeeld theorieën die voorspellen dat het contact tussen de quarks en gluonen in het plasma minder wordt bij nog hogere druk of temperatuur waardoor het zich als een gas gaat gedragen in plaats van een vloeistof.

    • Dorine Schenk