Elektronen, protonen & neutronen: dat zijn de bouwstenen van alles wat ik hier om mij heen zie: jullie, de stoelen waarop jullie zitten en het podium waar ik op sta. En de lucht die we inademen. En in dit college ga ik jullie vertellen dat wij vrij zeker denken te weten dat die bekende elektronen, protonen & neutronen slechts 20% van ons Universum uitmaken. Slechts 20%! De 80% die we niet kennen, noemen we donkere materie! 1
Vergelijk het maar met een ijsberg: de 20% die uitsteekt boven water zien we. De 80% onder water zien we niet, maar is er wel! gewone materie donkere materie Voor ik u kan uitleggen waarom wij denken dat er zoiets als donkere materie moet zijn en we hoe we dat hopen te ontdekken, moet ik u eerst iets vertellen over de natuurkrachten. Zonder natuurkrachten zou de wereld van elementaire deeltjes een saaie bedoeling zijn. Zeg maar de aftiteling van een film met alleen de namen van de acteurs. En net zoals een film pas leuk wordt met actie, hebben onze elementaire deeltjes gelukkig ook interactie: Via de natuurkrachten! 2
Die natuurkrachten zijn: - De zwaartekracht: Massa s trekken elkaar aan. De enorm grote Aarde trekt hard aan mij. En aan deze appel. Kijk maar! - De elektromagnetische kracht: Is veel sterker dan de zwaartekracht. Kijk maar, deze magneten plakken aan elkaar en vallen niet naar beneden! Dit is ook de kracht die chemische en biologische processen bepaalt. Zeg maar ons leven dus. Waarom merken we er zo weinig van? Omdat het meeste om ons heen elektrisch neutraal is: evenveel positieve als negatieve lading. Zodra die balans verstoord wordt merk je het direct. Bliksem bijvoorbeeld. Krachtig dus. - De kernkrachten: deze komen in twee varianten: - De sterke: bindt protonen en neutronen tot atoomkernen. En voor de experts: een laagje dieper bindt hij de quarks tot protonen en neutronen. Merk je allemaal niets van. - De zwakke: verantwoordelijk voor radioactief verval. Zie je ook zelden wat van. Ik heb hiervan maar geen demonstratie meegenomen want een kernbom of zo geeft zo n troep op het podium. 3
Samen vormen die natuurkrachten en de elementaire deeltjes een prachtige theorie. Vandaag zitten wij ergens aan de rand van een sterrenstelsel. Die mooie theorie vertelt hoe ons Universum zo n 15 miljard jaar geleden begon als een Oerknal. Zo voorspelt die theorie o.a. het nagloei effect van die Oerknal. Vergelijk het maar met een elektrische kookplaat. Heet als hij aan staat. Zet je hem uit en je legt je hand erop dan is het AUW! Als je tijdje wacht dan koelt hij af. Zo is het ook met ons Universum. Dat begon ook heel heet. En nu, 15 miljard jaar later, is het een stuk koeler en dat voorspelt de theorie en wij meten het. En het klopt. 271 graden onder nul is het in outer space. En het grappige is u kunt zelf ook kijken naar dat nagloeien van de Oerknal. Moet u vanavond niet instellen op NED1, 2 of 3, maar er tussenin. Dan ziet u deze ruis. Een procent of zo is het gevolg van reststraling van die Oerknal 15 miljard geleden. Mooi he? 4
Nu terug naar ons sterrenstelsel. Het is een prachtig voorbeeld van hoe de natuurkrachten werken: - De zwaartekracht heeft er voor gezorgd dat na die Oerknal materie samen klonterde en condenseerde tot b.v. sterren; - De kernkrachten zorgen er voor dat sterren doen wat ze doen: waterstof omzetten in zwaardere elementen zoals helium en zelfs ijzer. In dat proces wordt massa omgezet in energie. - En die energie maakt dat de ster schijnt: hij straalt heel veel licht uit. En licht heeft nu juist alles te maken met die andere hele belangrijke natuurkracht: de elektromagnetische. En zo n sterrenstelsel en nog veel meer begrijpen we allemaal prima in termen van elementaire deeltjes en die vier natuurkrachten. En is dat nu alles? Nee! Verschillende nauwkeurige metingen laten iets verrassends zien. 5
De makkelijkste om uit te leggen is de rotatie van sterren in een sterrenstelsel. Vergelijk het met ons eigen planeten stelsel: De Aarde draait in 1 jaar om de zon. Mercurius doet het in 88 dagen. Jupiter in 12 jaar. Die omlooptijden worden bepaald door de massa van de zon en de afstand tot de zon van iedere planeet. Hetzelfde verwacht je voor de rotatie van een ster rondom het centrum van een sterrenstelsel. D.w.z. als je de massaverdeling in zo n sterrenstelsel kent en je weet hoe ver een ster af staat van het centrum, dan vertelt de theorie je hoe snel hij ronddraait. Helaas: de metingen kloppen helemaal niet met de theorie! Om het kloppend te maken, lijkt het er op dat er extra materie moet zijn die we niet direct zien. D.w.z. materie die helemaal geen licht geeft. Materie die alleen de zwaartekracht en b.v. de zwakke kernkracht voelt. Iets heel anders dus dan bekende materie zoals elektronen, protonen en neutronen. We noemen dat donkere materie. Hoeveel donkere materie is nodig om de metingen en theorie met elkaar in overeenstemming te brengen? Het schokkende antwoord: 5 meer dan gewone materie! 6
De uitdaging: vind die donkere materie! Experimenteel doen we dit op drie manieren: 1. Verstrooiing: D.w.z. een ronddwarrelend donker materie deeltje hier op Aarde geeft een gewone atoomkern een schop. Door die schop schiet de atoomkern weg en verliest hij wat elektronen. Dat kan een meetbaar signaal opleveren. Het probleem: er dwarrelt hier heel veel rond. Kijk b.v. maar eens naar de activiteit in dit zogenaamde nevelvat. Wat je ziet is natuurlijke radioactiviteit, kosmische straling en zo. Om een interactie van een donker materie deeltje hiervan te onderscheiden moet je: - Een omgeving zoeken waar je weinig last hebt van kosmische straling. B.v. diep onder een berg zoals hier in Italië. Al die rotsen houden namelijk veel straling tegen; - Radioactief arm materiaal gebruiken voor je experiment. Een mooi voorbeeld daarvan is Romeins lood wat 2000 jaar op de bodem van de Middellandse Zee heeft gelegen. Dat lood is veel minder radioactief dan lood wat dagelijks blootgesteld wordt aan kosmische straling. Gelukkig zijn er veel Romeinse galjoenen met lood gezonken! 7
2. Annihilatie: net als gewone materie, kan ook donkere materie en donkere antimaterie elkaar annihileren d.w.z. elkaar opeten en een gewoon deeltje-antideeltje paar uitspugen. Zoals: twee lichtdeeltjes, twee neutrino s of een elektron-positron paar. Kenmerkend hiervoor is dat die deeltjes met name daarvandaan komen waar je veel donkere materie verwacht d.w.z. daar waar al veel massa zit: b.v. centrum van de zon of centrum van ons melkwegstelsel. De energie van die uitgespuugde deeltjes correspondeert met de massa van de onbekende donkere materie deeltjes. Het beste kan je dit doen met neutrino s. Er staat al een enorme detector diep in het ijs op de Zuidpool. Enorm is 1 km 3. En in de Middellandse Zee wordt gebouwd aan een nog grotere detector. 8
3. Creatie: Net zoals we al heel veel nieuwe deeltjes ontdekt hebben kan je zodra je voldoende energie stopt in de botsende bundels ook donkere materie creëren in botsingsmachines zoals op CERN. In deze simulatie ziet u hoe dat werkt. De botsende deeltjes creëren vuurbollen met daarin als je geluk hebt nieuwe deeltjes. Allemaal dankzij Einstein s E=mc 2. De kenmerkende eigenschap van een vuurbol met donkere materie er in is eigenlijk heel simpel. De vuurbol is compleet uit balans. In de richting waarin de donkere materie wegschiet zie je juist niets in je detector. Donkere materie doet immers niets in je detector d.w.z. schiet er dwars doorheen. Dus je moet zoeken naar gebeurtenissen waarin een hap ontbreekt. Eenvoudige analyse. Een vereiste is wel dat je detector goed werkt! Stel je voor dat een segment van detector per ongeluk uitstaat. Dan registreer je daar niets. Dat lijkt dan op een vuurbol met een donker materie deeltje er in! Als je dat publiceert dan mag je iets later een rectificatie publiceren! Twee publicaties voor de prijs van een! Populair word je hier niet mee. 9
Nu heb ik drie complementaire methodes laten zien waarop er jacht gemaakt wordt op de mysterieuze donkere materie. Dat is het goede nieuws. Het slechte nieuws: tot op heden hebben we het nog niet gevonden! Echt spannend wordt het volgend jaar. Dan gaat de versneller op CERN draaien bij een bijna twee keer hogere energie. Dat betekent (denk aan Einstein s E=mc 2 ) dat we nieuw terrein gaan betreden. Ook begint volgend jaar een extreem gevoelig nieuw experiment, XENON-1ton, diep onder de grond in Italië. Kortom: stay tuned. Een knuffel hebben we al wel voor het donkere materie deeltje. Deze: heel zwart en heel zwaar! 10
En Wat drijft mensen zoals mij nou? Gewoon pure nieuwsgierigheid. Ik wil gewoon begrijpen hoe ons Universum werkt. Wat zijn de kleinste bouwstenen? Hoe is het ontstaan? en Waar gaat het naar toe? De afgelopen 100 jaar zijn we heel ver gekomen. Dat vind ik leuk. En is dit onderzoek nuttig? Zonder elektronica kunt u zich ons leven amper voorstellen. Vrijwel ieder apparaat in onze ziekenhuizen heeft een kernfysische achtergrond. En dat hebben we allemaal bereikt met 20% van de bouwstenen in ons Universum. Mag u fantaseren over wat we kunnen met die nog te ontdekken 80%! En is dit onderzoek duur? Iedere Nederlander doneert jaarlijks het equivalent van één zak patat-met aan CERN. Oftewel paar % van uw jaarlijkse internet abonnement. Dat laatste heeft u alleen omdat CERN in 1991 het World Wide Web gelanceerd heeft. Gratis. Dank u. 11
12
13