Waarvan is het heelal gemaakt? Hoe is het allemaal begonnen?

Transcriptie

1 Waarvan is het heelal gemaakt? Hoe is het allemaal begonnen? We leven op aarde, een kleine blauwgroene planeet, de derde van de zon en één van de naar schatting 400 miljard sterren van de Melkweg, één van de ongeveer honderd miljard sterrenstelsels in het universum. x sec

2 telescopen versnellers Ga mee op reis naar het begin van de tijd Jaren vanaf 10 miljard 9.2 miljard 7-8 miljard 200 miljoen voor secondes voor Ons heelal zet uit. Door met telescopen te kijken naar verre sterren en melkwegstelsels kunnen we het heelal uit het verleden zien toen het nog kleiner en heter was. Maar dan komt de uitdaging: de allereerste momenten van het heelal kunnen we niet zien. Door deeltjes te laten botsen kunnen we bij CERN de condities van één miljardste seconde na het begin van het heelal nabootsen! CERN

3 Van stof tot leven Mens-achtige wezens bestaan slechts een paar miljoen jaar; indien we de 4,5 miljard jaar oude geschiedenis van de aarde samenpersen in een dag dan past de menselijke beschaving in de laatste seconde De dinosaurus verscheen 225 miljoen jaar geleden, de oudste fossielen 540 mijoen jaar geleden en de eerste levensvormen zijn 3,5 miljard jaar oud. Fossielen miljoen jaar Dinosauriers miljoen jaar Alles rotsen, planten, dieren, mensen is ontstaan uit dezelfde deeltjes. Deeltjes die 13,7 miljard jaar geleden gemaakt zijn tijdens de Big Bang. Mensen Eerste levensvormen - 3,5 miljard jaar

4 Een ster wordt geboren Als we nog verder terug gaan in de tijd Ongeveer 4,5 miljard jaar geleden zijn de Aarde en het zonnestelsel gevormd uit een interstellaire stofwolk van waterstof en helium en slechts 1% zwaardere elementen. Jaren 9.2 miljard

5 We zijn sterrenstof Experimenten bij ISOLDE op CERN bestuderen hoe zwaardere elementen dan ijzer in massieve exploderende sterren gevormd werden. Alles wat we zien, aanraken of proeven is... sterrenstof. Alle koolstof in ons lichaam, al de zuurstof in de lucht, al het silicium in rotsen en zand kwam tot ontstaan in het binnenste van oude sterren. Aan het eind van hun leven, in een onvoorstelbaar krachtige explosie, werden de restanten de ruimte in geslingerd. Het duurde miljarden jaren voordat dit sterrenstof onder invloed van de zwaartekracht weer nieuwe sterren en planeten vormde. Jaren 7-8 miljard

6 telescopen Het heelal ontvlamt Na de Big Bang duurde het meer dan 200 miljoen jaar voordat waterstof en helium onder invloed van de zwaartekracht in reusachtige gasbollen bij elkaar kwamen. Hierin ontstond een kernfusie reactie waardoor ze nog heter werden en begonnen te stralen. Beelden gemaakt met de Hubble ruimtetelescoop geven informatie over melkwegstelsels die 13 miljard jaar geleden onstaan zijn. Jaren 200 miljoen

7 Jeugdherinneringen de eerste foto van het heelal Het heelal was niet altijd doorzichtig. Dit gebeurde pas jaar na de Big Bang toen atomen ontstonden en licht voor de eerste keer vrij kon schijnen. Nu zien we dit licht als het nagloeien van de Big Bang, de kosmische achtergrondstraling. De kleuren in de foto, genomen door de WMAP satelliet, geven kleine dichtheidsfluctuaties in de verdeling van atomen in het vroege heeal aan. Deze leidden uiteindelijk tot de formatie van sterren en melkwegstelsels. Jaren

8 versnellers Kijken in het donker Een ruimtetelescoop kan ons mee terugnemen naar jaar, maar niet eerder. Voor dit tijdstip bestond materie voornamelijk in de vorm van protonen, heliumkernen en elektronen. Het was te heet voor stabiele atomen. Licht werd constant opgenomen en weer uitgezonden door de botsende deeltjes: het heelal was ondoorzichtig. Om verder terug in de tijd te gaan gebruiken wetenschappers deeltjesversnellers, zoals die bij CERN, om de omstandigheden van die vroegste tijd na te bootsen. Jaren voor

9 Het onstaan van leven op aarde duurde miljarden jaren; slechts drie minuten waren nodig voor de cruciale ontwikkeling van materie en krachten in het heelal. De eerste drie minuten Gedurende deze korte tijd was de dichtheid en energie hoog genoeg om protonen en elektronen te laten botsen en versmelten waardoor lichte kernen zoals helium werden gevormd. De samenstelling van het heelal werd voor altijd vastgelegd driekwart van de zichtbare materie is waterstof, één kwart is helium. Deeltjesvernellers bij CERN bootsen de omstandigheden na die in het vroege heelal bestonden; hierdoor kunnen natuurkundige theorieën getest worden die de temperatuur en materiedichtheid beschrijven van het heelal in ontwikkeling GeV 100,000,000 o Hoge concentraties van energie, geproduceerd in deeltjesbotsingen bij CERN, verhitten materie tot zeer hoge temperaturen. Deze thermometer geeft aan hoe de temperatuur in het heelal correspondeert met de deeltjesenergie, uitgedrukt in giga-elektronvolt, GeV. 180

10 Neutrino s spookachtige boodschappers uit het vroege heelal Wij zijn hier één seconde na de Big Bang: neutrino s worden gevormd uit het radioactieve verval van deeltjes. Deze deeltjessporen, op een foto van het Gargamelle experiment op CERN in 1973, zijn belangrijk bewijsmateriaal voor het begrijpen van de deeltjes en krachten van de natuur. Op dit moment zijn er zo n 300 neutrino s afkomstig van de Big Bang in elke kubieke centimeter van je lichaam! Neutrino s lijken erg op elektronen, maar dan zonder elektrische lading en met maar erg weinig massa. Ze zouden jaren door materie kunnen gaan zonder gestopt te worden. CERN Genève Mont-Blanc Monte-Emilius P ie m o n t e Alessandria E m ilia -R o m a n ia Monte-Maggiorasca Monte-Prato Monte-Giovo T o s c a n a 11.4km 732km Faisceau de neutrinos Firenze Arezzo Perugia U m b r ia Laboratoire Gran Sasso 5km 0 50km GeV 10,000,000,000 o CERN stuurt een neutrinobundel door een 732 km lange tunnel naar het Gran Sasso laboratorium in Italië om de eigenschappen van deze mysterieuze deeltjes beter te kunnen begrijpen. 1

11 Protonen en neutronen bouwstenen van materie Een honderdmiljoenste seconde na de Big Bang klonteren elementaire deeltjes, quarks genaamd, samen om protonen en neutronen de bestanddelen van alle materie te vormen. Alle protonen en neutronen die in het heelal en in ons! te vinden zijn ontstaan op dit moment: miljoen jaar geleden. Experimenten bij deeltjesversnellers hebben aangetoond dat quarks gevangen zitten in protonen en neutronen en dat ze bij elkaar worden gehouden door deeltjes die we gluonen noemen. Protonen bestaan uit drie quarks die bij elkaar worden gehouden door de uitwisseling van gluonen, de dragers van de sterke kernkracht. In het COMPASS experiment op CERN wordt de gedetailleerde struktuur van protonen bestudeerd. 0.1 GeV 1,000,000,000,000 o

12 De oersoep In het ALICE experiment bij CERN wordt de quark-gluon oersoep bestudeerd, geproduceerd in botsingen van lood-ionen. Dit is de binnenste detector van ALICE, de tijdprojectiekamer, die de sporen laat zien van duizenden deeltjes die uit de botsingen voortkomen. Een miljoenste seconde na de Big Bang was het heelal gevuld met een oersoep die we het quark-gluon plasma noemen. Deze extreem hete en dichte vorm van materie bevat quarks en gluonen die zich vrij door de ruimte bewegen. In hoog-energetische botsingen van zware kernen kunnen we deze toestand produceren en bestuderen. 1 GeV 10,000,000,000,000 o Nu

13 In de eerste momenten van het heelal was er een titanenstrijd tussen materie en antimaterie. Materie en antimaterie Wetenschappers denken dat er tijdens de Big Bang evenveel materie als antimaterie geschapen werd. Vandaag de dag is de antimaterie uit het heelal verdwenen maar hoe? Een klein verschil in de ontwikkeling van materie en antimaterie kan een kleine ongelijkheid doen onstaan. In de daarop volgende vernietigingsslag overleefden de materiedeeltjes waardoor het hele zichtbare heelal hier nu uit bestaat. Het nauwkeurig onderzoek van antiwaterstofatomen, voor het eerst bij CERN gemaakt, kan verschillen tussen materie en antimaterie aan het licht brengen. Om de eigenschappen van antimaterie beter te begrijpen bestudeert het LHCb experiment de productie en het verval van zware quarks. 10 GeV 100,000,000,000,000 o

14 Moge de krachten met u zijn! Een tienmiljardste seconde: de vier krachten van ons heelal verschijnen. De zwaartekracht beheerst het gedrag van het heelal op grote schaal. Elektromagnetisme beheerst de stuctuur van atomen. De sterke kernkracht houdt quarks quarks bijeen in protonen en neutronen en houdt de kernen bijeen. De zwakke kernkracht zorgt voor radioactief verval en reguleert het opbranden van sterren. Botsingen tussen protonen en antiprotonen in de Super Proton Synchrotron Collider bij CERN toonden het bestaan aan van het W en Z deeltje, de dragers van de zwakke kernkracht. Deze sporen bevatten het bewijs voor het in mei 1983 eerst waargenomen Z deeltje. 100 GeV 1,000,000,000,000,000 o In de jaren daarna produceerden de frontale botsingen van elektronen en positronen bij de LEP (Large Electron Positron) versneller bij CERN miljoenen Z deeltjes en honderdduizenden W deeltjes. Hierdoor konden de wetenschapers de zwakke kernkracht beter begrijpen. Minstens twee van deze krachten hebben een gemeenschappelijke oorsprong bewijs hiervan komt van CERN experimenten die de dragers van de zwakke kernkracht hebben geproduceerd en bestudeerd: W en Z deeltjes

15 Grenzen verleggen De ATLAS detector is 46 m lang en 25 m hoog, met een gewicht van 7000 ton. Hij is gebouwd door 1800 fysici en ingenieurs van 150 instituten in 34 landen (stand eind 2003). Bij een duizendmiljardste seconde komen we bij de huidige grens van onze kennis. Er zijn nog veel zaken die we niet weten. Zwaartekracht heeft een effect op massa, maar tot nu toe kan de wetenschap niet verklaren waarom elementaire deeltjes de massa hebben die ze hebben. Zichtbare materie lijkt maar 4% te vormen van wat er zou moeten bestaan. Wat is de mysterieuze donkere materie van het heelal? Deze computersimulaties van de sporen uit botsingen van protonen in de LHC laten de aanwezigheid van het zogenaamde Higgs deeltje zien, dat de oorsprong van massa kan verklaren. Dit zijn het soort vragen dat wetenschappers proberen te beantwoorden met de LHC (Large Hadron Collider) bij CERN. Door protonen met de lichtsnelheid op elkaar te laten botsen kan de LHC de omstandigheden nabootsen die een duizendmiljardste seconde na de Big Bang bestonden GeV 10,000,000,000,000,000 o De CMS detector is 21.5 m lang en 15 m hoog en weegt ton. Hij is gebouwd door 2000 fysici en ingenieurs van 160 instituten in 36 landen (stand eind 2003)

16 Mysteries uit het begin van de tijd Wat gebeurde er voor de eerste duizendmiljardste seconde? Er zijn nog meer mysteries die wachten op onderzoek door toekomstige generaties. Zouden alle materie en velden in een enkele vergelijking beschreven kunnen worden? Zou een Theorie van Alles de evolutie van het heelal en de natuurwetten kunnen verklaren uit een enkele gemeenschappelijke bron? Zijn er meer dan drie dimensies bij micro-scopisch kleine afstanden? Zijn deeltjes eigenlijk kleine vibrerende draadjes energie in tien of elf dimensies? Wat is de aard van de donkere energie en materie die 96% van het heelal uitmaken? Hoe begon de Big Bang? Wat is de donkere energie die meer dan 70% van de massa in het heelal vormt en die er voor zorgt dat de uitdijing van het heelal steeds sneller gaat? voor

17 Tijdstip nul. Ons heelal wordt geboren. Welke zijn de wetten waaraan ruimte en tijd voldoen? Hoe is het mogelijk dat zo n speldepunt vol onvoorstelbare energie sneller uitdijt dan het licht? Met de LHC deeltjesversneller op CERN proberen we de antwoorden te vinden Op de kleinst mogelijke tijdschaal was alle materie en energie van het heelal geconcentreerd in een punt duizend keer kleiner dan een speldenknop. 0 Foto s: CERN, SOHO/NASA/ESA, Vénus Magellan Spacecraft Arecibo Radio Telescope / NASA, Voyager 2 / NASA, Hubble Space Telescope NASA, WMAP / NASA, J. F. Colonna (CMAP / Ecole Polytechnique), Michael Hoch, Institut Pasteur CERN 2004