Meeste materie is nog verborgen na een eeuw meten

Deze zomer verkent de wetenschapsredactie alles dat verborgen is. Vandaag: alles wat we zien is opgebouwd uit elementaire deeltjes. Zelf zijn ze onzichtbaar.

Illustratie Ralph Zabel

De prijs voor het best verborgen deeltje gaat naar donkere materie. De meeste fysici denken dat 80 procent van alle materie in het universum hieruit bestaat. Maar welk materiaal het is, welke deeltjes het zijn, dat blijft tot nu toe verborgen.

Ongeveer een eeuw geleden waren nog veel meer deeltjes onbekend en verborgen, zoals de elektronen, protonen en neutronen waar atomen uit bestaan. En pas zes jaar geleden is het inmiddels beroemde higgsdeeltje ontdekt. Daarvan was het bestaan voorspeld, als laatste puzzelstukje van het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het standaardmodel model beschrijft zeventien elementaire deeltjes: deeltjes die niet zijn op te splitsen in andere. Ze zijn de bouwstenen van alles om ons heen.

Net als donkere materie zijn al deze inmiddels bekende deeltjes bijna onwaarneembaar als ze vrij (niet gebonden in een atoom) rondbewegen. Ze vliegen razendsnel en ongemerkt bijna overal doorheen of spatten in minder dan een triljardste van een seconde uit elkaar, zoals het higgsdeeltje. Hoe achterhalen deeltjesfysici het bestaan van deze verborgen deeltjes?

Met microscopen kun je geen structuren zien die kleiner zijn dan 380 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een millimeter).

Met een elektronenmicroscoop kom je tot 0,04 nanometer. Dan zie je middelgrote atomen – een zilveratoom bijvoorbeeld – maar de deeltjes waaruit atomen zijn opgebouwd blijven onzichtbaar.

„Er is geen enkel elementair deeltje dat we direct kunnen zien”, zegt Harry van der Graaf, hoogleraar stralingstechnologie bij het onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam en aan de TU Delft. Hij werkt mee aan het ontwikkelen van verschillende deeltjesdetectoren, zoals onderdelen van de ATLAS detector van de deeltjesversneller LHC in Geneve. „Alle deeltjesdetectoren zijn gebaseerd op indirecte detectie. Je moet ervoor zorgen dat het deeltje in een materiaal een meetbare hoeveelheid elektronen genereert.”

We maken een historische tocht langs de apparaten waarmee deze allerkleinste deeltjes gemeten worden. Van mensen die staarden naar lichtflitsjes tot een detector zo groot als het Paleis op de Dam in Amsterdam die met meerdere detectielagen miljarden deeltjes per seconde bekijkt.

Staren in het donker

De eerste deeltjesdetector werd begin twintigste eeuw gemaakt. Vlak na de ontdekking van radioactieve straling. De techniek was bedoeld als stralingsdetector. Men wist toen nog niet dat straling uit deeltjes bestaat. Er bleken drie soorten straling: alfastraling (dat zijn heliumkernen, weten we nu), bètastraling, die bestaat uit elektronen (of hun antideeltjes: positronen) en gammastraling, die bestaat uit energierijke fotonen.

De straling werd van elkaar onderscheiden door een stralingsbron in een magnetisch veld te zetten met rondom fotografische platen die verkleuren wanneer er straling op valt.

In een magnetisch veld voelt een geladen deeltje een kracht waardoor zijn pad wordt afgebogen. Een positief geladen deeltje buigt naar de ene kant, een negatief geladen deeltje naar de tegengestelde kant. De massa en snelheid bepalen hoe groot de afbuiging is.

Onderzoekers zagen één soort straling onverstoord rechtdoor gaan: de ongeladen gammastraling. Positief geladen alfastraling boog de ene kant op, bètastraling met negatieve elektronen de andere kant.

Vlak na deze metingen kwamen wetenschappers erachter dat die straling uit deeltjes bestaat. Dat ontdekten ze toevallig toen ze keken wat er gebeurt als je platen bedekt met zinksulfide en er vervolgens een alfastraling uitzendende bron bij zet. Het was al bekend dat zinksulfide oplicht onder invloed van straling. In zo’n dunne laag zagen de onderzoekers lichtflitsjes, die duiden op individuele deeltjes in de straling. Die bleken te ontstaan doordat een alfadeeltje (een heliumkern) bij de botsing een elektron in het zinksulfide in een energiekere toestand brengt. Als het elektron weer ‘ontspant’ en terugkeert in zijn basistoestand, zendt het een lichtflitsje uit. Mensen kunnen die flitsjes zien. „Daarvoor moet je wel eerst een halfuur in een donkere kamer zitten om je ogen lichtgevoelig genoeg te maken”, vertelt Van der Graaf. „Pas dan kun je, als je je goed concentreert, de individuele flitsjes zien.” De eerste deeltjesdetectoren waren dus gemotiveerde fysici die na een middag in een donkere kamer turen waarschijnlijk knallende koppijn hadden.

Druppeltjes en belletjes

Deeltjes maken zich dus op een indirecte manier kenbaar. Zoals het laagje zinksulfde dat lichtflitsjes uitzendt als er alfadeeltjes op botsen.

Een andere manier waarop deeltjes hun aanwezigheid kunnen verraden is ionisatie. Hierbij heeft een deeltje dat door een materiaal beweegt genoeg energie om onderweg elektronen uit atomen of moleculen te slaan. Het atoom of molecuul blijft positief geladen achter (dit heet een ion) en het negatief geladen elektron is vrij.

In de eerste helft van de twintigste eeuw werden zogenoemde nevelvaten en bellenvaten ontwikkeld om het spoor van geïoniseerde deeltjes dat een deeltje achterlaat zichtbaar te maken. Een nevelvat is een afgesloten ruimte, gevuld met een damp, bijvoorbeeld alcohol, die afgekoeld is tot vlak boven de condensatietemperatuur. Er is weinig nodig om dit gas te laten condenseren. Als er een deeltje door de damp vliegt, ontstaan er ionen. Rond zo’n ion condenseert de damp gemakkelijk. Een deeltje dat door een nevelvat vliegt laat dus een spoor van druppeltjes achter.

Een bellenvat werkt nagenoeg hetzelfde, maar is gevuld met een vloeistof die verhit is tot vlakbij het kookpunt. Een deeltje laat dan een spoor van belletjes achter. De lading, massa en snelheid van de deeltjes zijn af te leiden door een bellen- of nevelvat in een magneetveld te plaatsen, net zoals gedaan werd bij de radioactieve straling.

Deze vaten leveren niet alleen prachtige foto’s met deeltjessporen op. In een nevelvat werd bijvoorbeeld in 1932 het positron ontdekt.

De foto’s van de metingen van bellen- en nevelvaten werden handmatig bestudeerd. Dat kost veel tijd. De oplossing is om het meten van deeltjes aan elektronica over te laten. Maar de paar elektronen en ionen die ionisatie vrijmaakt, leveren geen meetbaar elektrisch signaal op.

Lawines van deeltjes

Een van de eerste elektronisch uitleesbare deeltjesdetectoren was de geigerteller. Dit is een buis gevuld met gas dat ioniseert als er een deeltje doorheen komt. In de buis wordt een draad onder een hoge spanning geplaatst. Door de hoge spanning ontstaat er een sterk elektrisch veld rondom de draad. Daardoor voelen de ionen en elektronen een sterke aantrekkende of afstotende kracht, waardoor ze worden versneld. Ze krijgen daarbij zoveel energie dat ze nog meer elektronen uit moleculen slaan, waardoor een lawine van geladen deeltjes ontstaat die wordt opgevangen door de draad en geeft een meetbare elektrische stroompuls. Dat geeft de bekende geigerteller ‘tik’.

Vanaf de jaren zestig werden er meerdere draden gebruikt. Door te kijken in welke draden een puls loopt, kun je bepalen waar het deeltje langskomt. Deze zogenoemde dradenkamers kunnen duizenden draden bevatten. Ze worden nu nog steeds gebruikt. In detectoren van de LHC zitten tientallen plaat-vormige dradenkamers van enkele vierkante meters groot en bijna een meter dik.

„De laatste grote ontwikkeling zijn siliciumdetectoren”, vertelt Van der Graaf. „Die werden in de jaren negentig ontwikkeld.” Ze bestaan uit de vaste stof silicium, waar onder meer ook computerchips van gemaakt worden. Hierin kunnen deeltjes ook moleculen ioniseren. Aan de boven- en onderkant van een plak silicium leg je een spanning aan. De elektronen die door ionisatie ontstaan drijven dan naar de positief geladen elektrode toe en kunnen zo gemeten worden. Met deze detectoren kun je het spoor van een deeltje nog veel preciezer meten dan met een dradenkamer. Maar het is duur. „Bij de LEP, de voorloper van de LHC, begon men daarom aarzelend met het testen van siliciumdetectoren”, zegt Van der Graaf. „Maar het werkte zo goed dat er inmiddels in een van de vier grote experimenten van de LHC meer dan honderd vierkante meter silicium zit. Dat kost een vermogen, maar dan heb je ook wat.”

Knallende protonen

Nu zijn we in het heden aangekomen. In de LHC, die een paar maanden per jaar aanstaat, worden per seconde miljarden deeltjes geproduceerd. Die ontstaan doordat twee bundels met protonen met bijna de lichtsnelheid op elkaar knallen. Hierbij komt zoveel energie vrij dat de protonen uit elkaar spatten waarbij dan nog genoeg energie over is om allerlei nieuwe deeltjes te maken. Energie is immers massa, zoals Einstein beschreef in zijn beroemde E=mc2. Die miljarden nieuwe deeltjes worden allemaal geregistreerd.

Om te zien hoe dat gaat reizen we mee met de deeltjes die in de grote ondergrondse LHC-ring ontstaan en gemeten worden door ATLAS. ATLAS is één van de vier grote meetinstrumenten die rondom de deeltjesversneller gebouwd zijn. Het is een van de twee instrumenten waarmee ruim zes jaar geleden het higgsdeeltje ontdekt werd.

De protonenbundels botsen in het midden van de cilindervormige ATLAS, een instrument met de omvang van het Paleis op de Dam. De deeltjes die erbij ontstaan vliegen alle kanten op, waar ze verschillende lagen detectoren kunnen tegenkomen.

ATLAS bestaat grofweg uit vier detectorlagen. In de drie buitenste lagen worden deeltjes volledig tot stilstand gebracht om al hun energie te kunnen meten.

„De eerste detector staat dicht op het punt waar de protonenbundels botsten. Die detector bestaat uit drie lagen met extreem nauwkeurige silicium-pixel-detectoren”, vertelt Van der Graaf. Deze inner detector bepaalt zo precies mogelijk de sporen van de deeltjes. Daarachter staan nog een paar lagen met grotere, goedkopere siliciumdetectoren die het deeltjesspoor verder volgen.

De tweede detectorlaag, voorzien van loodplaten, registreert elektronen, positronen en fotonen. De deeltjes die nog over zijn komen nu in de hadronische calorimeter. Hadronen zijn de wat grotere deeltjes, opgebouwd uit quarks.

Nu ook de hadronen eruit gefilterd zijn, resteert een select gezelschap: muonen, de zware broertjes van elektronen, en neutrino’s. Muonen zijn relatief zwaar waardoor ze weinig energie verliezen als ze door de eerste detectoren heen vliegen. De buitenste laag bestaat daarom uit drie enorme gasgevulde detectoren – groot genoeg om het pad en de energie van de muonen te meten. En de neutrino’s en donkere materie? Die vliegen overal ongehinderd doorheen. Alleen met energieberekeningen is te achterhalen hoeveel materie in de vorm van neutrino’s of donkere materie de detector uit is gevlogen. Voor ATLAS blijven die voorlopig verborgen.

    • Dorine Schenk