technologie Op zoek naar het Higgsdeeltje Ing. Luc Van Lancker MSc werkt voor de CERN BRUSSEL. Het onderzoek naar de microwereld van het atoom heeft de deuren voor allerlei nieuwe toepassingen geopend: moleculaire biologie, gentechnologie, geneeskunde, computer, laser, kernenergie e.a. In de CERN nabij ca hadden we met collega Van Lancker een boeiend gesprek. CERN Genève doet men fundamenteel onderzoek naar elementaire deeltjes. Men laat er deeltjes met lichtsnelheid op elkaar botsen in de hoop inzicht te krijgen in het volgende diepteniveau van het atoom, de quarks. Een nevenproduct is het wereldwijde web dat de Vlaming ir. Robert Cailliau in 1989 bij de CERN ontwikkelde. ! Van onze hoofdredacteur Bij de CERN werken rechtstreeks ongeveer 2.500 mensen. Daarnaast nemen zowat 7.500 wetenschappers uit 38 landen deel aan experimenten. 75 Belgen houden zich met het onderzoek bezig, een 400-tal met ondersteunende taken. Een van hen is collega Ing. Luc Van Lancker MSc, die sinds 1973 teamlid ‘Elementaire deeltjes en fysica’ is. Hij is verbonden aan de ‘Compact Muon Solenoid Detector’ (CMS), één van de vier detectiestations waar men de botsing van de protonen observeert. Over het grootste wetenschappelijk onderzoek in de deeltjesfysi- “ Het elektron is het werkpaard van de elektronica en het eerste elementaire deeltje dat voor het proton en neutron werd ontdekt.” I-mag april 2012 14 Oorspronkelijk stond het letterwoord voor ‘Conseil européen pour la recherche nucléaire’. In 1954 werd de Raad opgeheven en vervangen door ‘l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire’. Na enkele jaren bleek ook die nieuwe naam de lading niet echt meer te dekken, maar de naam bleef toch behouden voor de huidige experimenten van de CERN, met name die van de deeltjesfysica. “Aan de basis van die fundamentele ontdekking ligt de opkomst van de elektronische industrie en van allerlei dagelijkse toepassingen van de elektronica tot in alle hoeken van de samenleving”, zegt Luc Van Lancker. TECHNOLOGIE Subatomaire deeltjes Luc Van Lancker Luc Van Lancker werd in 1948 in Liedekerke geboren. Hij volgde de A3- en A2-opleiding aan technisch instituut Don Bosco in Sint-Denijs-Westrem. Daarna studeerde hij voor technisch ingenieur elektromechanica aan de toenmalige Sint-Antoniushogeschool in Gent. Na een korte periode in een verkoopsbureau voor mechanisch materiaal te hebben gewerkt solliciteerde hij bij de VUB. Hij moest een toegangsexamen afleggen met specifieke vragen in verband met fysica en de wetten van de Duitse sterrenkundige Johannes Kepler. Zijn loopbaan begon in het laboratorium voor hogere energieën van prof. dr. Jacques Lemonne, toen nog in de KMS aan de Hobbemastraat in Brussel. Ing. Luc Van Lancker MSc is sinds 1973 teamlid elementaire deeltjes en fysica. NL “Het werkpaard van de elektronica is het elektron, één van de lichtste van alle elementaire deeltjes. Omdat het een lading heeft, is het met behulp van een elektrisch veld eenvoudig aan te sturen. In een computerchip gebeurt dat miljoenen keren per seconde. We staan er allang niet meer bij stil. Amper een goede eeuw geleden was de ontdekking door Thomson en zijn team het resultaat van fundamenteel onderzoek. Die ontdekking heeft de wereld behoorlijk veranderd. Zo zal het ook gaan met het fundamenteel onderzoek van de CERN. Fundamenteel onderzoek is immers onze hoofdopdracht. In het standaardmodel van de deeltjesfysica worden de krachten en de deeltjes van alle materie beschreven. Het werd voor het eerst in de jaren ’70 opgezet. Dankzij het standaardmodel konden wetenschappers de uitkomst van hun experimenten voorspellen. Maar niet alle voorspellingen waren juist. Volgens het standaardmodel zijn neutrino’s massaloos. Maar dat is niet het geval volgens onze metingen.” “Er zijn ongeveer 200 subatomaire deeltjes bekend. Subatomaire deeltjes zijn enerzijds het fermion (elektron, muon en quark) en het boson (foton en gluon) en anderzijds het hadron (proton en neutron). Een hadron is een subatomair deeltje dat uit quarks bestaat. Het Griekse woord hadros betekent sterk. Vier procent van de massa van het heelal bestaat uit hadronen. De positief geladen protonen en de elektrisch neutrale neutronen worden in de atoomkern door een sterke kracht, ook wel kernkracht genoemd, bijeengehouden. De quarks – deeltjes van protonen en neutronen – zijn ook aan een sterke kracht onderhevig. De ‘lijmdeeltjes’ die de quarks bij elkaar houden, de zogeheten gluonen (glue=lijm), zijn de dragerdeeltjes van de sterke kracht. Vlak na de oerknal toen ons heelal ongeveer tien microseconden oud was, bestonden er geen protonen, neutronen of atoomkernen.” Oerknalimitatie In een cirkelvormige tunnel van 27 kilometer, op een diepte van 100 meter, nabij de Frans-Zwitserse grens bij Genève, worden twee tegenovergestelde protonen- Kosmologie De kosmologie is het onderzoek van de oorsprong, evolutie en structuur van het heelal. Dat onderzoeksgebied werd eeuwenlang beheerst door ideeën, die gestoeld waren op een religieuze leer en die het creationisme aanhingen: een of meerdere goden hadden het complete heelal geschapen. In 1927 opperde UCL-professor en priester Georges Lemaitre dat het heelal zijn oorsprong had in de explosie van een ‘oeratoom’. Dat werd bekend als de oerknal of ‘Big bang’. Fred Hoyle bedacht de term ‘Big bang’ en bedoelde het eerder denigrerend. Hij had immers een statisch heelal vooropgesteld. Zijn ‘steady-state-theorie’ bepaalde dat het heelal ‘eeuwig en oneindig in tijd en grootte’ is. De klap voor de steady-state-theorie werd in 1963 gevolgd door de ontdekking van krachtige radiobronnen, die ‘quasars’ werden genoemd. Men ontdekte dat quasars niet alleen radiogolven uitzenden, maar ook verschillende andere golven. Men berekende dat quasarbronnen miljarden lichtjaren van de aarde zijn verwijderd. Quasars maken deel uit van de vroege stadia van het heelal en van de theorie van de oerknal waarover het experimenteel onderzoek vandaag doorgaat. NL 15 I-mag april 2012 Detectoren De vier detectoren worden aangeduid met een eigen benaming. Alice, Atlas, LHCb en CMS hebben ook elk enkele specifieke kenmerken. Je vindt ze hieronder. Atlas (grootste detector) L: 46 meter - H: 25 meter - B: 25 meter Gewicht: 7.000 ton Personeel: 1.900 fysici e.a. uit 164 instituten van 3 landen Ligging: Meyrin, Zwitserland Alice (A Large Ion Collidor Experiment) L: 26 meter - H: 16 meter - B: 16 meter Gewicht: 10.000 ton Personeel: 1.500 fysici e.a. uit 104 instituten van 31 landen Ligging: St.-Genis-Pouilly, Frankrijk LHCb (Large Hadron Collider beauty) L: 21 meter - H: 10 meter - B: 13 meter Gewicht: 5.600 ton Personeel: 650 fysici e.a. uit 47 instituten van 14 landen Ligging: Ferney, Voltaire, Frankrijk bundels met een snelheid van het licht met elkaar tot botsing gebracht. Op die manier imiteert men de oerknal, het moment waarop het universum 13,7 miljard jaar geleden ontstond. De installatie die daarvoor is gebouwd, omvat de grootste deeltjesversneller ter wereld. De wetenschappelijke inzet is enorm. Ze hopen dat het experiment de ontbrekende sleutel van de natuurkunde oplevert. Met de 27 kilometer lange deeltjesver- I-mag april 2012 sneller (Large Hadron Collider, afgekort LHC) hoopt men het Higgsdeeltje te vinden. Dat is het enige deeltje dat werd voorspeld, maar nog niet werd waargenomen. Het deeltje is van groot belang om de massa van alle andere deeltjes te verklaren. Het deeltje ontleent zijn naam aan de Schotse fysicus Peter Higgs. Terwijl het mechanisme werd opgesteld samen met twee Belgen: Francois Englert en Robert Brout. 16 CMS (Compact Muon Solenoid Detector) L: 21 meter - H: 15 meter - B: 15 meter Gewicht: 12.500 ton Personeel: 2.500 fysici e.a. uit 181 instituten van 8 landen. Ligging: Cessy, Frankrijk. Bron: CERN NL “Het Higgsdeeltje is de drager van het Higgsveld dat in het hele universum aanwezig is. De experimentele zoektocht naar het Higgsdeeltje begon al met de LEP-deeltjesversneller, de Large Electron-Positron Collider. LEP had een omtrek van 27 km en lag 100 meter onder de grond in een ringvormige tunnel aan de grens tussen Frankrijk en Zwitserland. Die versneller was tussen 1989 en 2000 in TECHNOLOGIE bedrijf en was destijds de grootste deeltjesversneller ter wereld. In de elf jaar dat LEP in gebruik was werden belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen gedaan. De LEP bestond net als alle ringvormige versnellers uit enkele magneten die de elektrisch geladen deeltjes in een cirkelvormige baan houden en quadrupolen die de deeltjes gebundeld houden. LEP had vier detectoren. De massa van het zogenoemd Z-boson en het W-boson werden precies gemeten door LEP. Door nauwkeurige metingen van de massa’s van het Z- en W-boson kan men het aantal neutrino’s bepalen die in het standaardmodel passen. In december 2011 werden op de CERN misschien aanwijzingen gevonden dat het Higgsdeeltje werkelijk bestaat. Het zou waargenomen moeten worden door de Atlas- en CMS-detectoren. Pas in de tweede helft van 2012 zullen we meer zekerheid hebben of het Higgsdeeltje werd gevonden.” Versnellers Luc Van Lancker: “De protonen worden in verschillende stappen versneld tot 99,9 % van de lichtsnelheid, 300.000 km per seconde. Dat gebeurt eerst in een reeks voorversnellers. Maar het belangrijkste onderdeel is de 27 kilometer lange cirkelvormige tunnel, de Large Hadron Collider. De LHC is geen perfecte cirkel, maar bestaat uit verschillende sectoren. In elke sector zijn er 154 reusachtige elektromagneten ondergebracht. Het versnellen en op juiste koers houden van de protonen gebeurt met ongeveer 9.500 supergeleidende magneten die samen 32.000 ton wegen en een magnetisch veld opwekken dat 100 keer krachtiger is dan dat van de aarde. Omdat zoiets enkel mogelijk is bij extreem lage temperatuur, worden de buizen gekoeld tot 271 graden Celsius onder nul. De dipoolmagneten geven een ‘kromming’ aan de bundel protonen. De quadrupool magneten houden de deeltjes bijeen of focussen. De versneller heeft 2 parallelle bundelpijpen waar de protonenstralen in tegenovergestelde richting doorheen komen. Op 4 plaatsen van het traject komen de 2 schachten samen en leiden de botsingen tussen de protonen tot miljoenen sporen die we observeren en vastleggen. Elke botsingsplaats heeft zijn eigen detectiecentrum en wordt aangeduid met de letterwoorden CMS, LHCb, Atlas en Alice. Drie detectoren staan op het grondgebied van Frankrijk, één op dat van Zwitserland. Computers kunnen 100 botsingen per seconde selecteren en in 3D weergeven.” Bundels In elke bewegingsrichting bedraagt de energie van de protonen 3,5 tera elektronvolt. Voor de twee richtingen bedraagt de totale energie 7 tera elektronvolt. “In de toekomst gaan we naar 7 tera elektronvolt in elke richting dus 14 tera elektronvolt totale energie”, zegt Ing. Luc Van Lancker. “Op elk van de 4 observatieplaatsen vinden 40.000.000 botsingen per seconde plaats. De lange bundeldeeltjes noemen we een bunch. Dat zijn kleine pakketjes microscopische deeltjes die in de ring 11.000 keer per seconde ronddraaien. Op de 4 plaatsen waar de detectoren staan – de interactiepunten – worden ze gesqueezed, d.w.z. samengedrukt tot een diameter van 1 mm en in het interactiepunt tot een diameter van ongeveer 17 micron. De diameter van een bundel verandert naargelang de plaats in de LHC. Ter vergelijking: een mensenhaar is ongeveer 50 micron dik.” Onderzoek Ing. Luc Van Lacker toont een elektronische schakeling of stripdetector om gegevens uit te lezen van de CMS-detector. Het is een voorbeeld van internationale samenwerking onder ingenieurs en vorsers van verschillende disciplines. Ingenieurs van de universiteit van Pisa hebben een deel van de schakeling ontworpen. Een andere deel van de schakeling is een realisatie van de ingenieurs van het Imperial College in Londen, van ingenieurs uit China, maar ook van Belgische ingenieurs. Microstrippen die hun toepassing in de ruimtevaartprogramma’s vonden, dienen als signaal en voedingskabel voor de verbinding van de detector in de LHC met de computers. Miljoenen gegevens moeten worden verwerkt. “In de CERN ontstaat heel vaak een technologie die men voorheen niet kende. Daar heeft men vooral praktische ingenieurs voor nodig, maar met kennis van fysica. Mijn job is niet meteen iets om op een familiefeest uit te leggen. Ik heb gaande- 17 weg wel geleerd om de essentie bondig aan buitenstaanders over te brengen, maar het blijft een moeilijke materie. Leg maar eens uit hoeveel protonen in een vingerhoed passen. Dat is helaas niet in mensentaal uit te drukken. Fundamenteel onderzoek krijgt vaak jaren later erkenning en waardering. Het is zoals een foto maken van iemand: het heeft weinig waarde op het moment dat men de foto maakt. Pas vele jaren later waardeert men de opname. Men realiseert zich vaak niet dat de wetenschap zich ook met andere dingen bezighoudt dan met natuurkundige opdrachten, biologische verklaringen of wiskundige berekeningen. De productie van technische apparatuur is vaak een uitvloeisel van wetenschap. De eerst gebouwde mechanische rekenmachine van de wiskundige Blaise Pascal was een wetenschappelijk ontwikkeld apparaat. In de 19de en 20ste eeuw zagen tal van technische wetenschappen het licht. Denk maar aan de MNR-scanner. De industrieel ingenieur is daar ook een ‘product’ van. Daarom is het begrip ‘toegepaste ingenieurswetenschappen’ een begrip dat bij de industrieel ingenieurs behoort. Ook binnen het kader van de chemie is er sprake van technische wetenschap. In de CERN doet men aan fundamentele experimentele fysica.” “ Steinberger is 90 jaar en komt bij goed weer dagelijks met de fiets naar de CERN.” Nobelprijswinnaars In 1974 kreeg de Chinees Sam Ting de Nobelprijs fysica. In 1984 was het de beurt aan de Italiaan Carlo Rubbia, samen met de Nederlander Simon Van der Meer. In 1988 was het de beurt aan de Duitser Jack Steinberger. In 1992 kreeg Georges Charpark de Nobelprijs. Allen werkten ze voor de CERN. “Steinberger is 90 jaar en komt bij goed weer dagelijks met de fiets naar de CERN”, zegt Luc Van Lancker. “Als het sneeuwt, komt hij met de auto. Drie weken geleden zaten we samen in de cafetaria. Steinberger leidde een experiment en ontdekte voor de fysica fundamentele deeltjes.” Tekst: Ing. Noël LAGAST MSc Foto’s: CERN I-mag april 2012
© Copyright 2024 ExpyDoc