Deeltjes fysica en astrodeeltjes fysica
Deeltjes fysica
- De ATLAS deeltjes detector aan de ‘Large Hadron Collider’ bij het CERN in Genève, Zwitserland, is op jacht naar het Higgs deeltje.
Deeltjesfysica is een vakgebied waarbij met zeer grote detectoren naar zeer kleine deeltjes gekeken wordt. Deeltjesversnellers vormen de basis van dit onderzoeksgebied. Door deeltjes zoals protonen te versnellen, kunnen zij bij een botsing met andere deeltjes veel energie vrijmaken om andere, nieuwe deeltjes te vormen volgens Einstein's E=mc2.
Op aarde zijn hiervoor verschillende versnellers gebouwd, bijvoorbeeld in Hamburg bij DESY, in Genève bij CERN en in Chicago bij Fermilab. In het heelal zijn 'kosmische' versnellers en deze worden steeds vaker gebruikt als welkome aanvulling op wat op aarde in het laboratorium mogelijk is. Kortom, astrodeeltjesfysica brengt natuur- en sterrenkunde samen.
Nikhef, RUN en RUG hebben onderzoeksgroepen die zich bezig houden met experimenten in de (astro)deeltjesfysica. De theoriegroepen rekenen mee met de experimentele natuurkundigen. Technische afdelingen ondersteunen de implementatie van detectietechnieken, bouw van detectoren en ontwikkeling van data-analyse technieken.
Vandaag weten we dat moleculen uit atomen bestaan die op hun beurt weer deelbaar zijn (ondanks het feit dat het Griekse woord 'atomos' ondeelbaar betekent). Protonen, neutronen en elektronen vormen atomen. Elektronen lijken vooralsnog niet meer deelbaar, protonen en neutronen wel; deze bestaan uit een combinatie van verschillende soorten quarks en gluonen. Naast deze bouwstenen van materie bezitten deeltjes ook antideeltjes, die antimaterie vormen. Positronen zijn 'anti-elektronen' terwijl alle quarks eveneens hun antideeltje hebben.
Hoe onderzoeken we deze minuscule deeltjes? Om op aarde onderzoek te doen zijn gigantische deeltjesversnellers nodig. Eigenlijk is een versneller een soort supermicroscoop; hoe kleiner de deeltjes zijn die we willen bestuderen, des te krachtiger de microscoop moet zijn. In de kosmos vormen bijzondere fenomenen en zeer grote magnetische velden als het ware 'natuurlijke' versnellers. Voor het astrofysische onderzoek hoeven we daarom 'alleen' nog de juiste detectoren te bouwen om onderzoek te doen.
Astrodeeltjes fysica
- Het Auger experiment. Op de voorgrond een van de ruim 1600 deeltjes-detectoren. In het gebouw op de achtergrond bevindt zich een fluorescentiedetector waarmee het lichtspoor van een deeltjeslawine gemeten wordt. Bron: de Auger collaboratie.
De aarde staat bloot aan een voortdurend bombardement van deeltjes uit het heelal: kosmische straling. Deze deeltjes zijn kleiner dan atomen en ze kunnen extreem veel energie bezitten. Sommige hebben tien miljoen keer meer energie dan deeltjes die met een versneller in het laboratorium zoals CERN bij Geneve kunnen worden gemaakt. Over de oorsprong van deze deeltjes weten we maar weinig.
Kosmische straling kan niet rechtstreeks worden waargenomen op aarde. Als een deeltje de dampkring binnenkomt, botst het met de kern van een atoom en veroorzaakt een zogenaamde deeltjesregen. Deze deeltjesregen bevat miljoenen deeltjes waarvan slechts een deel het aardoppervlak bereikt. Het zijn deze deeltjes die uiteindelijk kunnen worden waargenomen.
Voor de detectie van de geladen deeltjes in een deeltjeslawine gebruiken we o.a. scintillatoren. Het materiaal waarvan deze detectoren gemaakt zijn, heeft als eigenschap een lichtflits te genereren als er een geladen deeltje passeert. De intensiteit van de lichtflits is afhankelijk van de hoeveelheid energie die door het inkomende geladen deeltje in het materiaal wordt afgegeven. De lichtpulsen worden door fotoversterkerbuizen omgezet in elektrische signalen. Deze worden met behulp van een digitale oscilloscoop in een PC opgeslagen.
Het aantal deeltjes dat per tijdseenheid de detector passeert is groot. We zijn alleen geïnteresseerd in die deeltjes die uit dezelfde (grote) lawine komen (en dus van hetzelfde inkomende kosmische deeltje stammen). Daarom wordt gebruik gemaakt van minstens twee scintillatorplaten (ieder 0.5 m2) met een onderling afstand (gemeten in het platte vlak) van 5 of meer meter. Alleen als door beide platen tegelijkertijd deeltjes gaan worden ze geregistreerd. We spreken dan van een coïncidentie; de kans is dan groot dat ze afkomstig zijn van hetzelfde kosmisch deeltje.
Door nu de gegevens van de verschillende meetstations te correleren, kunnen deeltjeslawines onderzocht worden, die zich over een oppervlak van honderden vierkante kilometer uitstrekken! Met behulp van de deeltjesdichtheid en hoek van inval kan uiteindelijk de energie en de richting van het kosmische deeltje bepaald worden dat de lawine veroorzaakt heeft.