jaar geleden, de Nobelprijs gegeven van de zogenoemde neutrale stroominteracties,

Transcriptie

1 vitftigfaar CERN ' 1, t24 Dit jaar bestaat crnx vijftig jaar. Dit heugeijke feit wordt op r8 oktober gevierd in Gen ve in aanwezigheid van vertegenwoordigers van wetenschap en regeringen van de idstaten. In dit artike za het natuurkundig onderzoek dat de afgeopen vijftig jaar aan cenn gedaan is besproken worden. KJ.F. Gcemers Kare Goemers ptomoueerde in 47 4 te Leiden op een onderuerp uit de theorcttsche hoge-energifisi- (4. Na zun promonehefihij as feow b!y' cen N ondenoek vet richt. Sinds r98o is hij hoogeruat theoretische gsica aan de Unius' siteit uan Amsterdam. Op dit ogenbjk is hij dircteur ucn het NI K- HEF, me achterstand ten opzichte van de Verenigde Staten. Het vogende citaat [r] van I.R. Oppenheimer spreekt in dit opzicht boekdeen: "We have eamt a w e know in Ew op e. But in the Jutur e frndamenta phgsics research is goingto requirc substantta resowces which wibebegond the means oj individua Europeon countries. You need to poo gour forts to buid these big machines thot ore going to be needed. It woud be unheothg if the Europeans were Het onbetwiste hoogtepunt in de geschiedenis van cern is de ontdekking uiet Union to conduct their Jtndomenta re- obiged to go to the United Stctes or the So- van de zwakke ijkbosonen W en Z. seorch". Om de baans tussen Europa Voor deze ontdekkingwerd, nu twintig en de Verenigde Staten weer te hersteen stede de Franse fysicus en Nobe- jaar geeden, de Nobeprijs gegeven aan Caro Rubbia en de Nederander prijswinnaar Louis de Brogie in 1949 Simon van der Meer. De ontdekking voor om een Europees wetenschappeijk aboratorium te stichten. Op de van de zogenoemde neutrae stroominteracties, nu dertig jaar geeden, is een vijfce agemene conferentie van andere zeer beangrijke ontdekking die UNESCo in r95o stede Isidor Rabi een doorsaggevend is geweest voor de uiteindeijke vorm van het standaardmo- the Jormation and organisation oj rcgiona resoutie voor: "to ossist ond encoursge de. cbnn heeft as Europese wetenschappeijke organisatie waarin over de and make morc fruitfu the intemationa centerc and oborctoriu in ordeto inuease andsgrenzen heen werd dn wordt coaborotion oj scientists... ". Deze resoutie werd unaniem aangenomen. samengewerkt een pioniersro vervud. Enige tijd ater besoten ef Europese Opnrcxrtruc,.regeringen een vooropige Consei Europden pour o Recherche Nucdaire (cern) Wetenschappeijk gezien had Europa na de TWeede Weredoorog een enor- op te richten. In r95z werd op een bijeenkomstvan de csr.n-counci te Amsterdam een ocatie in het kanton Gendve uitgekozen as vestigingspaats van het nieuw op te zetten aboratorium. Op z9 september 1954 ratificeren de twaafeerste idstaten de conventie en is de nieuwe organisatie geboren [z]. De vooropige Consei Europ{.en werd ontbonden, maar het acroniem cenn is tot op de dag van vandaag in gebruik. Onder de twaaf eerste idstaten was de Bondsrepubiek Duitsand. cpnn is de eerste Europese organisa- Jan Bannier (rechts), Nederandse aftevaardigde en ater president van de cent-raad, in gesprek met Frangois de Rose die het citaat van Oppenheimer optekende. [ceav-foto] Neoenuruos TrJoscHRrFr voor NATUURxuNDE oktober zoo4

2 een terugbik tie waar Duitsand na de TWeede Weredoorogweer id van werd. De eensrr vtrsnellers Feix Boch was de eerste Director Genero van cern. Het eerste project was het bouwen van een cycotron waarin protonen tot een energie van 6oo MeV versned konden worden. Bij deze energie beginnen reativisrische effecten een ro te speen. Om deze tijdens het versneen te kunnen compenseren moet de frequentie waarmee wordt versned continu worden aangepast. Om die reden staat de eerste versneer van cern bekend as het synchro-cycotron (sc). Hetsc kwam in 1957voor onderzoek beschikbaar. Het principe van het cycotron was niet nieuw. De vogende versneer die bij cern op stape werd gezet berustte daarentegen we op een gehee nieuw principe. Op 5 februari 196o werd het proton-synchrotron (ps) in gebruik genomen. Bij die geegenheid gooide Nies Bohr een fes champagne op een van de betonbokken die de afscherming van de machine vormden. Deze machine versnet protonen tot een energie van z8 GeV. cer.n heeft daarmee op dat ogenbik het record in handen voor de hoogste deetjesenergie ter wered. SYrucnnornon In een cycotron bevinden de vacutimkamer en de twee o-vormige versneereektroden zich tussen de poen van een grote eektromagneet. Naarmate de energie toeneemt, wordt de straa van de cirkebaan die de deetjes beschrijven groter. Omdat eektromagneten niet onbeperk groter gemaakkunnenworden stapte men over op een nieuw versneerontwerp: het synchrotron. Het vacuiim waarin de protonen versned worden, bevindt zich binnen een rondopende buis die op zichzef aansuit, ongeveer zoas een fietsband. Rondom die buis worden de afbuigmagneten gepaatst die er voor zorgen dat de versnede protonen netjes op een cirkebaan rondopen. De sterkte van dit afbuigved moet nu toenemen naannate de protonen verder worden versned. anders viegen ze uit de bocht. Het beangrijke probeem bij een synchrotron is de focussering van de de dee$es toch niet tegen de wand van de vacutimkamer te aten botsen moet de versnede bunde worden gefocusseerd. In de oorspronkeijke synchrotrons gebeurde dat door het afbuigved niet homogeen te maken maar in radiae richting een gradi nt te geven. In de eerste synchroffons was deze inhomogeniteit atijd op dezefte manier gericht. Men werkt dan in het jargon met rueakfocussing. In een we akjocussingmachine is de ampitude van de osciaties die de versnede dee$es om een evenwichtsbaan uitvoeren groot. Dat maakt het nodig om de vacutimring een grote doorsnede te geven. Men heeft daarom weer afbuigmagneten nodig met vee ruimte tussen de poen om de grote vacuiimkamer te kunnen accommoderen. Dat aes maak een machine gebaseerd op weok Jocussing erg duur, zeker as men naar steeds hogere energiedn wi gaan. De nieuwe gedachte van Livingston, Courant en Snyder was om de radiae gradi nt van het afbuigved niet overa dezefte richting te geven maar deze steeds af te wisseen. Zo'n machine heet, niet verwonderijk, een'aterna- bunde. Niet ae deetjes in de versneer vogen precies dezefte cirkebaan: nng gradient-versneer'. Deze afwisseende gradidnt bijk een vee sterkere de bunde waaiert een beetje uit. Om focussering te geven. De ontwerpers van het crn.n-ps stonden destijds voor de keuze 6feen 'traditionee' synchrotron gebaseerd op zwakke focussering te bouwen, 6f het risico te nemen en het nieuwe principe van de sterke focussering te omarmen. De keuze vie op hetaaste en zowerd crnn recordhouder van de hoogste versneerenergie terwered. Vanafdat ogenbik heeft crnn in Europa steeds voorop ieopen in het be- 325 In 1954 werd begonnen met de bouw van het synchro-cycotron (sc) waarmee protonen tot een energie van 6oo MeV versned konden worden. Tjdens de bouw moesten grote wegtransporten georganiseerd worden, zoas deze waarbij twee magnetische spoeen van ek 6o ton en 7,t meter in doorsnee vervoerd worden. Het sc werd in 1957 votooid en was 34jaar in bedrijf. [ceex-foto] oktober z o o 4 NEDERLANDS TUDscx nrr voon NIIuuRKUNDE

3 In r97r begon de start van de bouw van het Super Proton Synchrcuon (ses). Twee jaar ater was er een tunne van zeven kiometer in engte geboord. De tunne bevindt zich dees op Frans en dees op Zwitsers grondgebied. schikbaar maken van de meest geavanceerde versneers. een monumentvoor hetvernuftvan de ingenieurs die hem hebben ontworpen en gebouwd. Hij heeft ae specifi- Otoenzoer aan STERKE rnteracrtescaties gehaad en meer. Met de wijsheid Tijdens de eerste jaren van het bestaan van CERN ag de nadruk in het onderzoek sterk op de eigenschappen van hadronen en de sterke interacties in het agemeen. Met behup van het PS die we nu achteraf hebben is ook duideijk dat de Isn ae mogeijkheden had om bijvoorbeed het Jtpdeetje te kunnen ontdekken. Dat is heaas niet gebeurd; het J/Tp is een gedeede ontdekking (1974) van Sam en de toen popuaire beenvattechniek werd het mogeijk een hee scaa aan nieuwe deetjes te vinden en te onderzoeken. Tegenwoordig begrijpen we Ting (Brookhaven) en Burt fuchter (slac) en hun respectieveijke onderzoeksgroepen. het grote aanta hadronen dat toen werd gevonden, uitgaande van een beperkt aanta (zes) verschiende quarks. Na het rsn. werd een vogende versneer op stape gezet: het Super Proton Sgnchrotron (sps), een grotere versie van het ps dat protonen in paats van tot z8 GeV tot een energie van 45o GeV kon versneen. Het sps werd gebouwd in een ondergrondse tunne met een omtrekvan ongeveer zes kiometer. Twee cnore successen De twee grote wetenschappeijke successen van crnn iggen niet op het gebied van de sterke wissewerking, maar op datvan de zwakke en eektromagnetische interacties. Het gaat om de ontdekkingvan de neutrae zwakke stroom in neutrino-interacties en om de ontdekkingvan de ijkbosonen W+ en Zo, Neurnrnogutoets Een positief geaden pion(zr+) vervat in een muon (/-+) en een eektrisch neutraa neutrino (ur). Door een bunde pionen te aten vervaen ontstaat 326 htrrnsrcrruc srorace RtNGs De vogende stap op versneergebied was voor CERN de bouwvan de Intersectrng Storcge Rings (rsn). Deze machine bestond uit twee ringen waarin protonen met vaste energie (3r GeV ek) waren opges agen. Deze ringen waren niet cirkevormig, maar ongeveer vierkant van vorm. Daardoor was het mogeijk om de protonen in de ene ring op een aanta paatsen te aten botsen met de protonen uit de andere ring. Het grote voordee van deze botsendebundeopzet is dat men in h etzwaartepuntsysteem van de botsing zit en ae beschikbare energie in principe bruikbaar is voor het bestuderen van nieuwe deedes ofverschijnseen. De rsn werd in ry7r in gebruik genomen en was Beenvat Gargamefe, speciaa ontworpen voor het detecteren van neutrino's. [cenr-foto] NEDERLANDS TrrDscHRrFT voor NATUuRTuNDE ohober zoo4

4 Nobeprijswinnaars Caro Rubbia (inks) en Simon van der Meer. Zij kregen de prijs voor hun rof bij de ontdekking van de V7- en Z-d*ties. [cern-foto zo, yanzef, een neutrinobunde die weer gebruikt kan worden voor botsingsexperimenten. Een van de beangrijkste bijdragen tot de techniek van neutrinobundes kwam van de Nederandse ingenieur Simon van der Meer, die door midde van een hoorn de pionen zo wist te focusseren dat daarna de neuuinobunde die uit het pionverva ontstond een behoorijke intensiteit had. Deze hoorn van Van der Meer werd daarom we'horn of penta' genoemd. Neutrino's kunnen zoas hierboven beschreven uit pionvervd ontstaan. Het is een anaogon van het B-ver'tra, waarin niet het muon en muon-neuffino, maar het eektron en het eektronneutrino optreden. As men een muonneutrino (u) op een atoomkern schiet kan het gebeuren dat in de botsing een muon (,g-) ontstaat terwij een neutron uit de kern in een proton verandert. Het ene epton (z) transformeert in een ander (p) en de adingverandert met een eenheid. Hetzefte gedt voor de nuceonen p e\n. Dit mechanisme was a door Fermi theoretisch beschreven. Zuke interacties noemtmen geaden stroom-interacties. As men het anaoge voorbeed van Couomb-verstrooiingvan een eektron aan een proton bekijk, ziet men dat hier zowe het epton (e-) as het nuceon (p) hun ading behouden. Dat is een voorbeed van een neutrae stroom-interactie. Veen dachten dat neutrino's aeen geaden stroom-interacties zouden vertonen. De toenmaige theoriedn hadden geen behoefte aan neutrae stromen voor het neutrino. Yanaf ry6r zijn op cern neutrino-experimenten uitgevoerd, aanvankeijk met een vonkenkamer as detector. Later is een groot beenvat (Gargamee) gebruikt voor verder neutrino-onderzoek. n ry79 werd met dit beenvat gevonden dat ook neutrino's neutrae stroom-interacties vertonen, een gewedige doorbraak met gwogen voor de theorie van zrvakke interacties. De Nederandse theoretische fysicus Martinus Vetrnan was in de jaren zestig nauw betrokken bij deze neutrino-experimenten. In zijn recente boek staat een beschrijving uit de eerste hand van de gebeurtenissen. Het vinden van de neutrae stromen gaf een gewedige ondersteuning voor de gedachte dat de eektrozwakke interacties door ijktreorie n beschreven moeten worden. Het verdere onderzoek aan ijktheorieen en het bewijs van de renormaiseerbaarheid heeft Vetrnan en 't Hooft de Nobeprijs (1999) opgeeverd. Een essentiee ingredi nt in de theorie van de zwakke interacties is het bestaan van zware deetjes die het anaogon zijn van het foton (het foton heeft geen massa). Na de ontdekkingvan de nieuwe neutrino-interacties verwacht- Het boren van de z7 kiometer ange r:p-tunne was de grootste bouwkundige uitdaging in de geschiedenis van cenr. De graafrverkzaamheden duurden drie jaar vanwege een grotc tegensag: een jaar na aanvang stroomden grote hoeveeheden water en zand de tunne binnen, [cer-foto] oktob er z o o 4 NEDERLAN Ds TuDscHRtFt voor NATuuRKUN DE

5 r 328 te men dat er waren, twee geaden tru+ as dragers van de geaden stroominteractie en een neutrae Z0 voor de neutrae stromen. Awtr-pnororKoELrNG Uit meer precieze metingen van verschiende botsingsprocessen met neutrino's werkzame doorsneden, werd ook duideijk dat de massa van deze intermediaire bosonen boven 8o GeV zou iggen, wat wi zeggen een massa van ruim tachtig keer de protonmassa. precieze mechanisme van symmetriebreking, het Higgs-mechanisme. Het nieuwe theoretische inzicht moest uitvoerig in ae aspecten met nieuwe experimentee gegevens worden geconfronteerd. Een nieuwe tunne van z7 km omtrek wordt voorgested en gebouwd. Op 14 jui 1989 ging t,rn (LargeEectron Positron Coider) van start, der is een proton-proton-botser die in ook nu weer een machine met twee de Ep-tunne wordt gebouwd. Deze botsende bundes. In dit geva zijn het machine komt in het jaar zoot beschikbaar voor de verschiende onder- eekrronen en positronen, die uiteindeijk energie n tot ro4 GeV hebben zoekprogramma's. Het speerpunt is bereik. Vier experimentee opsteingen, Aeph, Dephi, L3 en Opa hebben dere thema's zijnhet onderscheid tus- het zoeken naar het Higgs-boson. An- met buitengewone precisie vastgested sen materie en antimaterie en het dat de quarks, eptonen en ijkbosonen quark-guonpasma. Weicht vieren de reges van de ijkheorie vogen. Tevens is onomstoteijk vastgestedat er derdste verjaardag van cern. we over nog eens vijftig jaar de hon- precies drie en niet meer famiies van quarks en eptonen zijn. Toen het be- NOTEN r Dit citaat is opgetekend door F. de Rose, een Om ze in botsingsexperimenten te suit vie om LEP te stoppen om paats Franse dipomaat die tussen 1947 en t949 bij kunnen maken, bedacht men dat het te maken voor het toekomstige rhcproject (Large Hadron Coider) ontstond met Oppenheimer bevriend was. de Verenigde Naties in New York werkte en principe van botsende bundes ook hier voor de benodigde grote zwaaftepuntenergie er enige opwinding: het Higgs-boson 2 Deze oorspronkeijke idstaten zijn: Bondsrepubiek zou kunnen zorgen. n was misschien gezien. Duitsand, Begi, Denemarken, Frankrijk, Griekenand, tai6, Joegosavie, tegensteing tot de ISR beek het hier Nederand, Noorwegen, Verenigd Koninkrik, wenseijk om met protonen en antiprotonen Toexomsr Zweden en Zwitserand. Tegenwoordig besche te werken. Het grote techni- In het jaar dat cern zijn vijftigste verhoren ook Bugarije, Finand, Hongarije, probeem is om de anti-protonen jaardag viert staat dit toekomstige project op stape. Deze Large Hahon Coi' Oostenrijk, Poen, Portuga, Spanje, Sowakije en Tsiechid tot de idstaten. te verzameen en tot een nerte bunde samen te voegen. Ook bij het opossen van dit probeem speede Simon van der Meer een essentiee ro. Hij onderzocht het principe van stochastische 14 en 15 oktober koeing, waarmee het mogeijk beek om protonen en antprotonen op te saan in de sps-ring e\zete aten botsen. In paats van sps werd deze opsagring nu,spps genoemd. In 1984 werd door twee groepen bij deze SppS Jubieumcongres NVMS Dit jaar bestaat de Nederandse Vereniging voor MassasPectrometrie (uvus), een van de secties van de r,u.rv, veertig jaar. De vereniging begon in r964 as de son-r.as en was in de vroege iaren bekend as de massaspectrometriediscussiegroep voordat de vereniging in r99z ziin huidige de productie waargenomen van naam kreeg. In deze veertig jaar heeft de vereniging jaarijks meerdere biieenkomsten ge- eektronen en muonen met een hoge transversae impus. Deze deetjes kunnen eenduidig worden geinterpreteerd as de vervasproducten van W en Z. Rubbia en Van der Meer hebben voor hun werk aan deze experimenten en voor de anti-protonkoeing in rg84 de Nobeprijs onwangen. organiseerd waarin courante onderwerpen uit het vak besproken worden. De vereniging startte in 1964 met vijftien eden en is inmiddes uitgegroeid tot een vowaardige beroepsvereniging met meer dan duizend eden. De omvang van het huidige edenbestand weerspieget de vucht die de massaspectrometrie in de afgeopen iaren heeft genomen. Waren de vroege massaspectrometers compexe, enorme instrumenten die voornameijk in het domein van de fysici werden ontwikked en gebruikt, tegenwoordig zijn het verregaand geautomatiseerde, hoogwaardige, compacte anaytische instrumenten die je aantreft in verschiende discipines. De instrumenten worden naast wetenschappeijk onderzoek ook gebruikt voor routinematig werk in medische insteingen, de (bio-)chemische industrie, de farmaceutische industrie, forensische LEP De ontdekkingvan W en Z en onze uitgebreide kennis van de fundamentee fermionen (eptonen en quarks) egden in essentie de fundamentee ijkheorie vast. Nog onbekend is het aboratoria en verschiende anaytische aboratoria. Het academische massaspectrometrisch onderzoek is in Nederand op dit moment sterk in eiwitonderzoek (proteomics/transcriptomics), fundamentee onderzoek asmede methode- en techniekontwikkeing. Verschiende majeure investeringsproiecten zuen de komende jaren de internationae positie van het massaspectrometrisch onderzoek in Nederand verder versterken. Het veertigjarige jubieum van de Nvr"ns wordt op 14 en r5 oktober zoo4 gevierd met een wetenschappeijk congres waarin een keur aan nationae en internationae massaspectrometristen de huidige trends in het vakgebied za bespreken. Ook worden tiidens deze biieenkomst verscheidene sessies met een tutoria-karakter aangeboden. Het congres za paatsvinden in het congrescentrum Roduc te Kerkrade. Voor meer informatie zie de website ' "ri#*;tiii! NEDERLANos TUDscHRIFT voor NATUURKUNDE OKIO,ET 2OO4