Een schot hagel op 100 meter diepte
Door S. M. de Bruijn
Het Franse boertje dat zojuist z'n koeien gemolken heeft, beseft nauwelijks wat een bruut geweld er zich 100 meter onder zijn voeten afspeelt. Met bijna de lichtsnelheid trekken elektronen daar hun baantjes, in een onderaardse ring met een omtrek van 27 kilometer. Een afstand die ze 11.000 keer per seconde afleggen, om dan met een klap te botsen op hun broertjes, de positronen. Onder het toeziend oog van honderden natuurkundigen, die 's werelds grootste apparaat mogen bedienen.
Drs. Jan van Eldik kent het terrein rond Genève op z'n duimpje en stuurt een dienstauto van het CERN, het Europese instituut voor deeltjesfysica, de Zwitsers-Franse grens over. De uit Amsterdam afkomstige natuurkundige koerst de witte Fiat Panda naar een paar gebouwen op enkele kilometers afstand van het hoofdkantoor. Op vier plaatsen is de ondergrondse ring via snelle liften verbonden met het maaiveld. Het gebouw van Delphi, een van de vier detectors van de grote deeltjesversneller in de Jura, ligt op Frans grondgebied. De elektronen in de tunnel passeren bij elk rondje dat ze draaien vier keer de grens.
Delphi doet niet onder voor een doorsnee huizenblok. Het plafond van de onderaardse bunker is zo'n 15 meter hoog; daaronder torent een soort scheepsboeg met een meters brede spaghettibrij van snoeren, kabels en gasleidingen eromheen. Het totale gewicht van de gigant is 3500 ton. Een geel knipperlicht waarschuwt: ”Danger: magnetic field”. Twee trappen vanaf de begane grond hangt een computerscherm; door het sterke magnetisch veld is het beeld op het scherm bijna een kwartslag gedraaid. Vloeibaar helium koelt de magneten tot 269 graden beneden het vriespunt (zie het artikel ”Een maand om af te koelen” op de linkerpagina).
Dwars door de detector loopt de tunnel, waar de bundel van deeltjes door voortraast. De Large Electron-Positron Collider (LEP), zoals de 27 kilometer lange ring heet, is sinds augustus 1989 in bedrijf en daarmee nu toe aan zijn elfde winterstop. „Voor ons loopt de zomer van mei tot november”, zegt Van Eldik, alsof je daar zo diep onder de grond iets van zou merken. „In de winter is de elektriciteit een stuk duurder. Die tijd gebruiken we voor een grote beurt. We halen de betonmantel weg zodat we binnen in de detector kunnen komen om reparaties te verrichten.”
Regenpijp
Een dikke betonnen muur schermt de toegang naar de tunnel af – als de LEP in bedrijf is, mag niemand de tunnel betreden vanwege de elektromagnetische straling die voortdurend ontsnapt. In de tunnel is ook niet zoveel te zien. Op een stellage bevindt zich de buis, aan het oog onttrokken door een dikke afscherming; 3368 magneten zorgen dat de geladen deeltjes in de buis niet uit de bocht vliegen.
„De buis is zo dik als een regenpijp”, schat Van Eldik. „Binnen die buis vliegen twee bundels in tegengestelde richting langs elkaar, de elektronen en de positronen, op ongeveer een millimeter afstand.” De deeltjes beginnen hun reis op enkele kilometers afstand van Delphi, vlak bij de hoofdvestiging van CERN. „Daar staat een lineaire versneller, die de elektronen produceert. De elektronen schieten door een speciale folie heen waardoor er paren van elektronen en positronen ontstaan.” De positronen zijn de antideeltjes van de elektronen, ze hebben een evengrote massa en lading, maar de lading is tegengesteld. In de natuur komen positronen niet voor, in de geneeskunde wel: ze worden gebruikt voor het maken van een PET-scan.
Om de deeltjes een hogere snelheid te geven, draaien ze eerst rond in twee kleinere tunnels, waar versnellers hen telkens een duw in de rug geven. Daarna schieten ze met een snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde in de LEP. Van Eldik: „Dat ze een tegengestelde lading hebben, is mooi meegenomen, want dezelfde magneet die de elektronen linksom laat buigen, zorgt tegelijkertijd dat de positronen rechtsom buigen. Er is geen constante bundel, maar de deeltjes bewegen zich in porties, als blokjes van eenderde millimeter lang en slechts enkele honderdsten millimeters dik. Je kunt het vergelijken met een schot hagel.” Ondanks de enorme afmetingen van de LEP-tunnel zijn de fysici in staat om de bundel met een nauwkeurigheid van een fractie van een millimeter te 'richten'.
Geluidsbarrière
In het hart van de Delphi-detector laten Van Eldik en zijn collega's de bundel elektronen botsen op een pakketje positronen. „Die botsingen, daar moeten we het van hebben. Als twee mensen een schot hagel op elkaar afvuren is de kans dat de deeltjes elkaar raken, erg klein. Dat is hier ook zo, maar we verhogen de kans door het vaak te doen.” Zo'n botsing treedt pas op als de deeltjes niet verder van elkaar verwijderd zijn dan 10
Delphi is volgestouwd met apparatuur om de gevolgen van zo'n botsing te kunnen waarnemen. „Er zit zo'n 500 kilometer kabel in verwerkt.” Vijftien verschillende detectors en meetkamers proberen na een botsing elk spoor van de brokstukken op te vangen; 550 natuurkundigen uit 22 landen werken mee aan het bestuderen daarvan. Van Eldik houdt zich tijdens zijn onderzoek bezig met de RICH-detector, waarin de deeltjes door een gas vliegen. „Omdat de snelheid van licht in deze gassen lager is dan in vacuüm, gaan de deeltjes lokaal sneller dan de lichtsnelheid. Dan ontstaat een soortgelijk effect als een vliegtuig dat de geluidsbarrière passeert, er komt een golf van fotonen vrij. We noemen dat het Cherenkov-effect. De gegevens daarvan gebruiken we om de brokstukken die bij een botsing ontstaan, te kunnen karakteriseren.”
Van Eldik is vooral geïnteresseerd in het tau-deeltje, een grote broer van het elektron, en dan met name in de zeldzame deeltjes waarin tau uiteenvalt. „De moeilijkheid is dat dit deeltje een zeer korte levensduur heeft, slechts 3 x 10
