Geachte, Met vriendelijke groet, De redactie

Transcriptie

1 Geachte, Deze pdf-bestanden zijn gedownload van de website van Wetenschap in Beeld ( en mogen niet aan derden worden doorgegeven. Omwille van het copyright bevatten ze geen foto's. Met vriendelijke groet, De redactie

2 grootste vragen van de wetenschap Waar bestaat alles uit? Enorme versnellers zoals de LHC van onderzoekscentrum CERN in Zwitserland zijn op jacht naar nieuwe deeltjes. cern

3 De afgelopen 200 jaar heeft de wetenschappelijke ontwikkeling ons dichter bij het antwoord gebracht op vragen als: archives charmet/the bridgeman art library Wat is het kleinste ter wereld? Waar is materie uit opgebouwd? Wat houdt de materie bijeen? Is er een Theorie van Alles? Veel Griekse filosofen dachten dat alles uit vier elementen bestond: water, vuur, aarde en lucht. Dit idee bleef hangen tot in de Middeleeuwen. D e wereld bestaat uit eendimensionale snaren die bewegen in een elfdimensionale ruimtetijd. Alle elementaire deeltjes en krachten in de natuur, die wij in onze driedimensionale wereld ervaren, zijn op te vatten als snaren die tussen zichtbare en onzichtbare dimensies bewegen. Onder moderne wetenschappers is deze Theorie van Alles heel populair. De snaartheorie overtuigt echter niet erg het grootste probleem is dat deze geen voorspellingen doet die experimenteel kunnen worden getest. Verder zijn er meer snaartheorieën, die onderling grote verschillen vertonen. Toch is het idee van supersnaren het beste antwoord dat we hebben op veel natuurkundige vragen en het voorlopige hoogtepunt van alle pogingen die mensen al duizenden jaren doen om het heelal te verklaren. Griekse filosofen bedachten atoomtheorie Rond 460 v.chr. dacht de Griekse filosoof Empedocles dat alles bestond uit vuur, water, lucht en aarde: vier eeuwige, onveranderlijke basiselementen. Ook binnen andere culturen, zoals het hindoeïsme, het boeddhisme en het taoïsme in Azië, bestond de overtuiging dat alles uit vier of vijf elementen bestond. Dit idee kreeg later steun van de Griekse natuurfilosofen, onder wie Aristoteles, die ether aan de theorie toevoegde als de substantie waaruit de hemel bestond. Men dichtte de elementen bepaalde eigenschappen toe; zo was vuur warm en droog, en water was koud en nat. Aristoteles beschouwde deze eigenschappen zelfs als de meest fundamentele, en hij probeerde dan ook om alles vanuit deze eigenschappen te verklaren. Zijn leer was ongelofelijk populair in de rest van Europa en zou tot laat in Door Henrik Bendix 77

4 science museum/sspl Met de zogeheten kathodestraalbuis ontdekte Joseph J. Thomson, Brits natuurkundige, een deeltje met negatieve lading: het elektron. de Middeleeuwen het heersende natuurwetenschappelijke verklaringsmodel blijven. Toch zagen andere filosofen andere manieren om de natuur te verklaren. Leucippus, zijn leerling Democritus en ook de latere Epicurus waren ervan overtuigd dat de wereld bestond uit oneindig veel, oneindig kleine deeltjes, atomen, die door leegte van elkaar gescheiden werden. Deze atomen varieerden in vorm en grootte; alle veranderingen in de wereld en het heelal waren ontstaan doordat deze atomen zich op wisselende manieren organiseerden. Dit klassieke atomisme doet erg denken aan onze moderne atoomtheorie, die vanaf de 17e eeuw werd ontwikkeld. De Fransman Pierre Gassendi zorgde als eerste voor een heropleving van het atomisme. Hij werd gesteund door de in Ierland geboren Robert Boyle, die afstand nam van de oude alchemisten en de basis legde voor de hedendaagse scheikunde. Het atoom is toch niet ondeelbaar Tot in de 18e eeuw werd er flink geëxperimenteerd: scheikundigen probeerden naarstig een structuur te vinden in de waarnemingen die ze deden. Het werd al snel duidelijk dat er behoefte was aan preciezere metingen van bijvoorbeeld gassen als men chemische processen zoals verbranding wilde verklaren. De Franse edelman Antoine Lavoisier kon een aantal elementen identificeren en ontdekte dat zowel de totale hoeveelheid van een materie als de massa van de daarin aanwezige elementen voor en na een chemisch proces gelijk waren. De materie veranderde slechts van gedaante, bijvoorbeeld van een vaste naar een vloeibare vorm, of ging nieuwe chemische verbindingen aan. Zo ontdekte hij dat water bestaat uit zuurstof en waterstof. In 1808 publiceerde de Engelsman John Dalton zijn hoofdwerk, A New System of Chemical Philosophy. Hierin beweert hij dat alles uit atomen bestaat. Een element bestaat uit vele identieke atomen, en de verschillen tussen de elementen ontstaan doordat elk element uit weer andere atomen bestaat, die bovendien niet hetzelfde wegen. Dalton gaf elk element een symbool en zag in dat alle materie bestaat uit een combinatie van deze basale elementen. Er werden steeds meer elementen ontdekt, en de Russische scheikundige Dmitri Mendelejev deelde ze in 1869 in naar hun eigenschappen en massa. Zo kwam hij tot het periodieke systeem. Op basis van de gaten in het systeem kon Mendelejev zelfs de ontdekking van elementen voorspellen. De vraag was of atomen echt ondeelbaar waren. In 1897 experimenteerde de Engelse natuurkundige Joseph John Thomson met de nog onverklaarbare stralen die ontstonden wanneer er stroom naar twee elektroden werd gestuurd aan weerszijden van een vacuüm glazen buis. Hij ontdekte dat de kathodestralen uit een stroom deeltjes met negatieve lading bestonden. De deeltjes waren veel lichter dan de lichtste atomen en werden elektronen genoemd. Atomen waren dus niet de kleinste bestanddelen van materie. Ze moesten uit de negatief geladen elektronen en een positief geladen deel bestaan. Ook bleek dat atomen niet onveranderlijk zijn. Rond de eeuwwisseling werd de radioactiviteit ontdekt, en bleken bepaalde elementen in andere elementen te veranderen als gevolg van radioactief verval. Ernest Rutherford, een wetenschapper uit Nieuw- Zeeland, was zeer geïnteresseerd in het verband tussen radioactiviteit en de structuur van atomen. In 1907 werd hij hoofd van de faculteit natuurkunde aan de universiteit van Manchester in Engeland, en de jaren daarop deed hij baanbrekende proeven met natuurkundigen als Hans Geiger en Ernest Marsden. Ze onderzochten de atoomstructuur door positief 78 Mijlpalen Op naar de supersnaren De Grieken kwamen 2400 jaar terug op het idee dat alles uit ondeelbaar kleine deeltjes bestond: atomen. Nu denken natuurkundigen dat alles bestaat uit nog kleinere, eendimensionale snaren. science source/foci Ca. 460 v.chr. Empedocles meent dat alles bestaat uit de elementen vuur, water, aarde en lucht. Ca. 400 v.chr. Democritus oppert dat alles uit oneindig veel ondeelbare deeltjes bestaat: atomen. science source/foci Ca. 350 v.chr. Aristoteles breidt de theorie van de vier elementen uit en voegt een vijfde toe: ether John Dalton brengt alle kennis van elementen samen en formuleert dan de eerste atoomtheorie. Wetenschap in Beeld nr. 3/2009

5 Methoden Het onzichtbare wordt zichtbaar Vanaf eind 19e eeuw zijn er instrumenten ontwikkeld om de onderzoekers te helpen bij hun zoektocht naar de kleinste bestanddelen van de materie. slac spl/foci spl/foci Spoor van positron Spoor van pion In 1932 ontdekte de Amerikaan Carl David Anderson in een nevelkamer het antideeltje van het elektron, een positron, dat al in 1928 voorspeld was. Een botsing tussen een hoogenergetisch deeltje uit de ruimte en een atoomkern kan resulteren in een pion, waarvan het spoor op de fotografische plaat staat. In 1968 wees een experiment in de grote Amerikaanse deeltjesversneller SLAC uit dat de protonen in een atoomkern uit kleinere deeltjes, quarks, bestaan. nevelkamer Fotografische plaat versneller Als een geladen deeltje door een kamer beweegt die oververzadigd is met gas, condenseert het gas en laat het een spoor na. De grootte van het spoor zegt iets over de energie en massa van het deeltje, en over de lading als de kamer zich in een magnetisch veld bevindt. De nevelkamer werd rond 1900 ontwikkeld door de Schot Charles T.R. Wilson. In de decennia daarna werden er dankzij de nevelkamer veel nieuwe deeltjes ontdekt. In de jaren 1940 ontwikkelde de Brit Cecil F. Powell fotografische platen waarmee men de aanwezigheid van kosmische deeltjes kon aantonen. Deze platen waren een stuk handiger in het gebruik dan nevelkamers. Powell nam ze mee naar hoge bergtoppen, waar de kosmische straling veel sterker is dan op de grond. In 1947 lukte het hem om een pion op te sporen een deeltje waarvan het bestaan al in 1935 voorspeld was door de Japanner Hideki Yukawa. In 1930 bouwde Ernest Lawrence de eerste moderne deeltjesversneller, en 20 jaar later waren versnellers zo krachtig dat er, onder gecontroleerde omstandigheden, nieuwe deeltjes mee gemaakt werden. De kinetische energie in lichte deeltjes werd daartoe omgezet in nieuwe, zwaardere deeltjes. Met deeltjesversnellers hoefden natuurkundigen niet langer te wachten tot kosmische straling een spoor naliet in nevelkamers of op de fotografische platen. bet tmann/co rbis/scanpix 1811 Amedeo Avogadro toont aan dat gassen bestaan uit moleculen, die op hun beurt bestaan uit kleinere atomen Joseph John Thomson ontdekt het elektron en bewijst zo dat atomen deelbaar zijn Ernest Rutherford ontdekt dat de positieve lading van een atoom in een zware kern samengebald is Dmitri Mendelejev presenteert het periodiek systeem, dat de elementen op eigenschappen rangschikt Albert Einstein stelt dat energie en materie hetzelfde zijn en dat licht is op te vatten als deeltjes Niels Bohr stelt dat elektronen zich in bepaalde stabiele banen rond de atoomkern bewegen. 79

6 De natuur is een bouwpakket Het standaardmodel beschrijft alle deeltjes en de meeste natuurkrachten; alleen de zwaartekracht ontbreekt. De materie om ons heen bestaat uit up- en downquarks en elektronen. quarks Leptonen uup ddown νe elektronneutrino e elektron c charm s strange νµ muonneutrino µ muon γ foton z z-boson w w-boson g gluon Quarks zijn de meest elementaire deeltjes van atoomkernen en van veel nieuwe deeltjes die ontdekt zijn in kosmische straling en versnellers. Leptonen horen tot de klasse waarvan het elektron het bekendst is. Een verschil met quarks is dat de sterke kernkracht geen vat op ze heeft. Krachtvoerende deeltjes zorgen voor de wisselwerking tussen de deeltjes, waardoor ze elkaar bijvoorbeeld aantrekken of afstoten. ttop b bottom ντ tauneutrino τ tau krachtvoerende deeltjes geladen alfadeeltjes (heliumkernen) op een laagje metaalfolie bijvoorbeeld goud te schieten. Als de positieve lading van het goudatoom gelijkmatig was verdeeld, zou het alfadeeltje maar iets af buigen na de botsing met het atoom, maar verschillende alfadeeltjes bleken direct teruggeketst te worden, alsof ze tegen iets zwaars en compacts waren gebotst. Dit viel te verklaren als veruit het grootste deel van de atoommassa in een kleine kern met positieve lading verzameld was. Hierdoor kreeg Rutherford het idee van een atoommodel waarin de elektronen draaien om een compacte kern, zoals planeten om de zon. Hij identificeerde ook het proton: het deeltje dat de positieve lading van de atoomkern draagt. Dit atoommodel verklaarde echter niet hoe een atoom stabiel kan zijn waarom de negatief geladen elektronen niet direct naar de positieve kern vallen. Hiervoor was een compleet nieuwe natuurkunde nodig: de kwantummechanica. In 1913 stelde de Deen Niels Bohr vast dat elektronen in vaste banen om de kern moesten bewegen, omdat energie alleen voorkomt in standaardpakketjes (kwanta) en daarom slechts bepaalde waarden kan hebben. In de jaren 1920 ging de kwantumfysica met sprongen vooruit. Het werd duidelijk dat de kleinste delen van materie zich totaal anders gedragen dan wij gewend zijn in de macroscopische wereld; zo zijn deeltjes als licht op te vatten, en andersom. Quarks scheppen orde in deeltjeschaos In 1932 bombardeerde de Engelse natuurkundige James Chadwick een aantal stoffen met alfadeeltjes. Hierdoor begonnen de atoomkernen van die stoffen een nieuw soort neutrale straling uit te zenden deeltjes die neutronen werden genoemd. Atomen werden opgevat als een zware, compacte kern van protonen en neutronen in een elektronenwolk. In 1932 werd er nog een deeltje gevonden. De Amerikaan Carl D. Anderson onderzocht kosmische straling in een nevelkamer toen hij op een deeltje stuitte met alle eigenschappen van een elektron, maar met een positieve lading: een positron. De jaren daarna werden er meer deeltjes ontdekt, in kosmische straling en in deeltjesversnellers. In 1937 werd het spoor van een muon, een zwaardere versie van het elektron, waargenomen in een nevelkamer. Tien jaar later zag men het spoor van een pion op een fotografische plaat. Al in 1935 was het bestaan van pionen voorspeld; men dacht dat ze de elektronen en protonen van atomen bijeenhielden. Eind jaren 1940 dook er weer een mysterieus deeltje op, het kaon, en daarna ging het hard. In de jaren 1950 en 1960 werden er enorme hoeveelheden nieuwe deeltjes geproduceerd in deeltjesversnellers bet tmann/co rbis/scanpix 1924 Louis de Broglie meent dat je deeltjes ook als golven kunt beschouwen Paul Dirac, Schrödinger en Heisenberg ontwikkelen de kwantummechanica; die beschrijft de subatomaire wereld James Chadwick ontdekt een kerndeeltje zonder elektrische lading, dat hij neutron noemt Hideki Yukawa stelt dat de deeltjes in de atoomkern bijeen blijven door speciale krachtdeeltjes Cecil Powell ontdekt het door Yukawa voorspelde pion in De jaren erna worden in nevelkamers en op fotografische platen meer deeltjes ontdekt F. Reines en C. Cowan vinden het neutrino, dat al in 1930 theoretisch was voorspeld. Wetenschap in Beeld nr. 3/2009

7 Perspectieven en hierdoor ontstond een duidelijke behoefte aan een theorie die deze warboel van exotische deeltjes in een systeem kon onderbrengen. De Amerikaanse natuurkundigen George Zweig en Murray Gell-Mann brachten in 1964 orde in de chaos. Volgens hen was het merendeel van de kerndeeltjes en de pas ontdekte deeltjes opgebouwd uit nog kleinere elementaire deeltjes: quarks. Alle deeltjes werden beschouwd als een combinatie van drie soorten quarks: de up-, down- en strangequark. Er doken echter meer vreemde deeltjes op en de lijst is uitgebreid met een charm-, top- en bottomquark. Natuurkundigen ontwikkelden een betrouwbaar model waarin alle bestaande deeltjes en krachten leken te passen, behalve de zwaartekracht, een vreemde eend in de bijt van de kwantummechanica. Volgens het zogeheten standaardmodel bestaat alle materie uit zes quarks en zes leptonen, waaronder het bekende elektron. Hierbij komen de fotonen, krachtdeeltjes die de elektromagnetische kracht dragen, W- en Z-deeltjes, die voor de zwakke kernkracht zorgen, en gluonen, die de quarks bijeenhouden. Dit standaardmodel heeft diverse nauwkeurige voorspellingen gedaan die aan de hand van allerlei experimenten zijn bevestigd, en de theorie is dan ook erg succesvol. Maar er blijven nog steeds deeltjes over waar we iets mee moeten: zo hebben alle quarks en leptonen elk een antideeltje. Uiteraard zoeken natuurkundigen naar een nog elementairder model, dat de materie en de natuurkrachten verklaart en waarin ook de zwaartekracht past. De supersnaartheorie is een poging tot een dergelijke Theorie van Alles. Het idee is vrij simpel: alle krachten en deeltjes zijn eigenlijk minieme snaartjes die op verschillende manieren trillen. Om de wiskunde achter dit model passend te krijgen, moeten de theoretisch natuurkundigen echter eendimensionale snaren introduceren in een ruimtetijd van elf dimensies, en dan is alle eenvoud al snel ver te zoeken. De supersnaartheorie is echter nog lang niet af, en het duurt dus nog wel even voor we echt kunnen zeggen waar alles uit bestaat. Meer op cern Jacht op het allerkleinste vereist de grootste machines Sinds 1950 zijn de steeds grotere deeltjesversnellers niet meer weg te denken uit de deeltjesfysica. Het maken van kleine deeltjes vereist zeer geconcentreerde energie, zoals alleen een versneller levert. De versneller LHC van onderzoekscentrum CERN is de grootste machine ter wereld. Als hij dit jaar serieus gaat draaien, moeten er nieuwe deeltjes opduiken. Zo hoopt men theorieën te bevestigen of te ontkrachten en het antwoord te vinden op grote wetenschappelijke vragen. Onderzoekers hopen de sporen van een Higgsboson te zien, een deeltje dat verklaren moet waarom deeltjes meestal massa hebben en niet, zoals het foton, gewichtloos zijn. Met de LHC en nog grotere versnellers zijn wellicht ook zogeheten supersymmetrische deeltjes te maken. De supersnaartheorie en andere natuurkundige theorieën veronderstellen namelijk dat er voor ieder elementair deeltje een partner is een selektron hoort bij een elektron, een antiquark bij een quark enzovoort. En misschien kunnen deze versnellers ook vertellen of er extra, verborgen dimensies in ons heelal zijn. Als het Higgsdeeltje opduikt in de LHCversneller ziet dat er mogelijk zo uit Murray Gell-Mann en George Zweig stellen dat de protonen, neutronen en andere nieuwe deeltjes uit nog basalere bestanddelen bestaan: quarks Experimenten met de drie kilometer lange deeltjesversneller SLAC in de VS leveren het bewijs voor de theorie dat protonen bestaan uit drie quarks. Wetenschap in Beeld nr. 3/ Het krachtdeeltje dat zorgt voor de sterke kernkracht die quarks bij elkaar houdt, het gluon, wordt ontdekt bij een experiment met de deeltjesversneller DESY in Hamburg De CERN-versneller ontdekt de deeltjes W +, W - en Z 0, die de zwakke kernkracht dragen. j. schwartz ias/princeton 1984 Michael Green en John Schwartz ontwikkelen de snaartheorie, en stellen dat alle deeltjes en krachten te zien zijn als snaartjes in de 10-dimensionale ruimtetijd Edward Witten verklaart hoe de inmiddels vijf supersnaartheorieën in één theorie te vatten zijn. Daar is dan wel een heelal met 11 dimensies voor nodig. 81