1
Loesje over de de Oerknal: Eerst was er niets en toen is dat nog ontploft ook Natuurkundigen weten weinig over het moment van de Oerknal. Wat we wel begrijpen is de evolutie van ons Universum vanaf zeg een miljoenste van een miljoenste van een seconde tot vandaag 15 miljard na de Oerknal! Het Universum begon onvoorspelbaar heet. Dat betekent dat alles ontzettend snel beweegt. Denk maar aan kokend water: dat beweegt, zeker vergeleken met bevroren water, heel turbulent. Als materie extreem hard botst wordt het afgebroken tot op de kleinste bouwstenen: de elementaire deeltjes. Ons Universum begon als een afkoelende soep van elementaire deeltjes. Dat afkoelproces tot b.v. het ontstaan van sterrenstelsels begrijpen we prima! En begrijpen betekent in mijn vak dat er formules zijn waarmee je het uit kunt rekenen. Zoals deze op mijn T-shirt! 2
Toch is er één aspect in de theorie met een fors probleem. En wel ons gewicht oftewel onze massa. In de theorie zijn eigenlijk alle elementaire deeltjes, en daarmee alles om ons heen, massaloos. Kortom een nogal waardeloze theorie! Het begrip massa is sowieso iets waar natuurkundigen door de eeuwen heen mee geworsteld hebben. Newton & Einstein bijvoorbeeld. Als ik deze voetbal een trap geef schiet hij met grote snelheid weg. Als ik hetzelfde doe met deze bowlingbal rolt hij langzaam weg (en heb ik pijn aan mijn voet). 3
Newton vatte dit samen in deze formule: F=ma. In gewoon Nederlands: bij een bepaalde Kracht F, wordt de Versnelling a en dus de snelheid van een object bepaald door zijn Massa m. Om een zwaar voorwerp te versnellen is een grotere kracht nodig dan voor een licht voorwerp. Daarom is het b.v. belangrijk dat sportauto s en racefietsen licht zijn. 4
Einstein is verantwoordelijk voor ongetwijfeld de bekendste formule: E=mc 2. In gewoon Nederlands: Energie E en Massa m zijn uitwisselbaar met als wisselkoers de lichtsnelheid c in het kwadraat. Die lichtsnelheid is gigantisch: 300 duizend km/s of in één seconde zeven keer de Aarde rond! Dit betekent dat een heel klein beetje massa enorm veel energie kan leveren. Dit is precies wat onze zon doet: massa omzetten in energie. Omgekeerd heb je heel veel energie nodig om een klein beetje massa te maken! (Concreet: 10,000 kg is genoeg om de hele wereld voor 1 jaar van energie te voorzien!) 5
Nu terug naar die elementaire deeltjes zelf. Wat zijn de elementairste deeltjes? Daarvoor kijk ik graag naar deze schoonheid: Met het blote oog komen we tot een fractie van een millimeter en zien we allerlei complexe structuren; Met een microscoop komen we veel verder en zien we fantastische details: cellen, celkernen, chromosomen en DNA. Om door te dringen tot de kleinste bouwstenen moeten we naar de krachtigste microscopen op Aarde: De deeltjesversnellers. Daarmee komen we eerst moleculen tegen. Vervolgens het atoom met zijn negatief geladen elektronenwolk. Diep daarin de positief geladen minuscuul kleine atoomkern. Die atoomkern zelf bestaat uit protonen en neutronen. Die op hun beurt weer bestaan uit quarks, in twee smaken (net als bij de AH): up en down. Het proton huisvest twee up-quarks en één down-quark terwijl het neutron twee downquarks en één up-quark huisvest. Heel eenvoudig toch? 6
Hoe ontdek je een elektron? Met dit apparaat! Met een forse batterij trek je deeltjes uit een gloeidraad. Dat is deze groenige bundel. Deze bundel kan je afbuigen met een magneet. Door hier nauwkeurig aan te meten hebben we uiteindelijk ontdekt dat de bundel bestaat uit zeer lichte elektrisch geladen deeltje. Die deeltjes noemen we elektronen! Ditzelfde apparaat, eigenlijk een deeltjesversneller, heeft trouwens decennia lang in heel veel huiskamers gestaan. Als TV! Als u nog zo n oude TV, d.w.z. met zo n toeter, heeft dan kunt u vanavond zelf met een magneet gaan spelen en uw TV-beeld verstieren. En uw TV ook! 7
s Werelds grootste deeltjesversneller staat bij het CERN in Genève. Hij werkt net zo als deze kleine deeltjesversneller. Deeltjes worden versneld met krachtige batterijen en in hun baan gehouden door enorme magneten. En enorm staat voor een 27 km omtrek ondergrondse tunnel! Om de krachtigste deeltjesbotsingen te bereiken worden twee proton bundels frontaal op elkaar geklapt. U ziet hier zelfs de quarks in de protonen. In iedere botsing worden grote aantallen nieuwe deeltjes gecreëerd. Door met enorme detectoren nauwkeurige foto s te maken van deze botsingen proberen we nieuwe elementaire deeltjes te ontdekken! De kracht waarmee die deeltjes op CERN op elkaar klappen is trouwens vergelijkbaar met dat wat er in ons Universum gebeurde toen het zo n miljoenste van een miljoenste van een seconde jong was! Zo bekeken bootsen we op CERN de omstandigheden van ons piepjonge Universum op kleine schaal na! 8
Hier zien we een foto van één proton-proton botsing. U ziet een groot aantal sporen van nieuw gecreëerde deeltjes (E=mc 2 ). Alle witte spoortjes zijn een beetje krom vanwege het sterke magneetveld waarin de detector staat. Beetje krom betekent dat ze makkelijk af te buigen zijn en dus weinig energie hebben. De twee gele sporen zijn vrijwel recht. Dat zijn sporen met heel veel energie en daarom de interessantste. Met Einstein s theorie en met name via de formule E=mc 2 kunnen we een massa toekennen aan de twee gele sporen. Door dit voor heel veel gebeurtenissen te doen krijgen we een frequentie verdeling van gevonden massa s. 9
Die zien jullie hier. Deze punten b.v. corresponderen elk met 10,000 gebeurtenissen van het type wat ik net heb laten zien. Nu gebeurt er iets waar een fysicus als ik opgewonden van raakt. Deze verdeling heeft pieken! Iedere piek wijst op het bestaan van een elementair deeltje. Ik had jullie al verteld over het elektron en de up- en down quarks. - Dit piekje heeft te maken met een nieuw type quark: het vreemde quark; - En deze hele grote piek hoort bij nog zo n ding: het charm quark; - En deze piek bij het beauty quark! - En deze laatste piek is iets waar ik het helaas niet over ga hebben maar waar wel een Nederlander in 1984 de Nobelprijs voor heeft gekregen! 10
En nu terug naar de massa s van de verschillende elementaire deeltjes. In het begin heb ik gesteld dat we daar een theoretisch probleem mee hebben d.w.z. hoe krijgen we de massa s van de elementaire deeltjes netje in onze formules? Zo n 50 jaar deed Peter Higgs daarvoor een revolutionair voorstel. Hij veronderstelde dat het hele Universum gevuld is met een veld. Nu hoor ik u denken: Een veld wat is dat? Zonder dat u het weet, maakt u dagelijks gebruik van natuurkundige velden. Magnetische velden b.v. worden gebruikt in dynamo s en elektromotoren. Ik kan zo n veld zichtbaar maken met wat ijzervijlsel. Kijk, nu ziet u het veldpatroon. Een veel belangrijker veld is het elektromagnetische veld. Als u mij belt gaat er een elektromagnetische golf, d.w.z. een in de tijd simultaan veranderend elektrisch- en magnetisch veld van uw telefoon via een zendmast naar de mijne! U ziet er niets van, maar het is er wel en het werkt! Daarom is natuurkunde zo mooi! 11
Nou dat veld van meneer Higgs. Dat veld is zodanig dat het de elementaire deeltjes massa geeft doordat het plakt aan de elementaire deeltjes. Aan lichte deeltjes plakt het amper en daarom zijn ze licht. Aan zware deeltjes plakt het enorm en daarom zijn ze zwaar. Vergelijk het veld maar met sneeuw: - Een licht deeltje is als iemand op ski's: die glijdt makkelijk over de sneeuw; - Een zwaar deeltje is als iemand op sneeuwschoenen: die loopt moeilijk door de sneeuw. En nu zijn we er bijna. In de natuurkunde hoort bij ieder veld een deeltje. Zo hoort b.v. bij het elektromagnetische veld van uw telefoon het lichtdeeltje. Lichtdeeltjes komen b.v. uit deze laserpointer. Als de hypothese van meneer Higgs juist is dan moet er ook een deeltje bij zijn veld horen. Dat deeltje heet het Higgs deeltje en er is bijna 50 jaar intensief naar gezocht. 12
En in 2012 hebben we hem gevonden! Vinden betekent een nieuwe piek zien in een verdeling zoals ik eerder liet zien. Hier ziet u de beste verdeling om in te zoeken. De meetgegevens komen per dag binnen. De rode verdeling is wat we verwachten te zien zonder een Higgs deeltje. Als er in de data punten ergens een piek ontstaat die afwijkt van de rode verdeling dan heb je de Higgs ontdekt! (En kan je de Nobelprijs in Zweden ophalen). Hier gaat hij dan: 2011,, 2012,. En nu is de dataset compleet. En jawel: een mooie extra piek bij 125 keer de massa van het proton. Dat is de ontdekking van de Higgs. Zo simpel is het. 13
En wat neemt u nu mee? Dat naast het u vast al bekende elektron, ons universum bestaat uit quarks. Protonen en neutronen bestaan uit de up- & down type quarks. Verder weet u nu dat er ook nog vreemde, gecharmeerde en beauty quarks zijn. En als toegift geef ik u ook nog het top quark. Zes in totaal dus. En dan is er die Higgs. Die geeft al die deeltjes massa. 14
En nu toch nog even terug naar de vraag in dit college: Waar komt massa vandaan? Higgs? Is massa, bijvoorbeeld onze eigen massa, nu echt allemaal de schuld van meneer Higgs? Nee! De massa s van alle elektronen, up en down quarks in ons lijf tellen namelijk slechts op 1.2% van onze eigen massa. De rest? De energie waarmee de quarks klonteren tot protonen en neutronen! Via E=mc 2 geeft dat ruim 98% van onze massa! Kortom: Einstein dus. In het volgende college ga ik in op de volgende vraag: Is reizen naar Mars gevaarlijk? 15