Transcript Akademos magazine 06-2013

4
CERN
Wetenschap aan topsnelheid
De kans is groot dat 4 juli 2012 de geschiedenis ingaat als een absolute hoogdag voor de fysica. Het Europese centrum voor nucleair onderzoek (CERN) maakte toen officieel bekend dat dankzij de LHC-deeltjesversneller een nieuw deeltje – wellicht zelfs het mysterieuze Brout-Englert-Higgs-deeltje – gevonden was.
Sindsdien regent het berichten over het CERN, de deeltjesversneller en hét deeltje.
Wat weinigen echter weten, is dat onze eigen VUB een stevige bijdrage heeft geleverd aan die sensationele
ontdekking. ULB’ers François Englert en Robert Brout waren in 1964 (toen VUB en ULB nog één waren) niet
enkel de eersten die over het deeltje schreven, ook vandaag nog scheren VUB-onderzoekers hoge CERNtoppen. Hoog tijd dus dat we het Geneefse fysicawalhalla eens van dichterbij gingen bekijken. En hoe kan
dat beter dan met VUB-prof. Jorgen D’Hondt – secretaris van de Raad van Bestuur van een van de twee
grootste CERN-experimenten – als gids?
vierwielers gemarkeerd met het magische vierletterwoord manoeuvreren
door straten genoemd naar fysicahelden - Curie, Planck, Bohr … - langs
ziekenhuis, brandweer, hotels, restaurants, benzinestation en kinderopvang. De 2400 permanente stafleden en 10.000 gebruikers - onder wie
D’Hondt - komen duidelijk niets te kort. Hoewel de gebouwen wat aftands
ogen, bevestigt onze gids dat alle hoogtechnologische snufjes binnen
aanwezig zijn. “Een fysicus maakt het trouwens niet uit dat de stoel
waarop hij zit versleten of oud is, zolang alles er maar is om te werken in
het labo!” Niet dat we geen bezienswaardigheden spotten onderweg. Zo
kruisen we een reusachtig stuk defecte detector, doodleuk wachtend op
een denkbeeldige oudijzerophaling. D’Hondt wijst ons ook op meerdere
onopvallende garagepoorten waarachter ondergronds toponderzoek blijkt
plaats te vinden.
© CERN
Op tien kilometer van Genève, tussen Jura en Alpen, herbergt de FransZwitserse aarde een schat aan wetenschappelijke experimenten. Honderd
meter onder de grond ligt er namelijk een 27 kilometer lange cirkel die de
mens dichter moet brengen bij de fundamenten van het universum. Prof.
D’Hondts ogen blinken wanneer hij ons inwijdt in de wondere elementairedeeltjeswereld. “Al meer dan een eeuw weten we dat alles rondom
ons uit atomen bestaat, maar wat zijn de allerkleinste bouwstenen binnen
atomen? En welke natuurwetten zorgen ervoor dat deze fundamentele
bouwstenen atomen vormen? Zoals Einstein destijds dromen veel natuurkundigen - ook ik - er nog elke dag van om één formule te ontdekken die
alles, maar dan ook alles, beschrijft. Een handleiding over hoe we tot het
universum komen, zeg maar.” Die ambitieuze droom moet het CERN en in
het bijzonder de deeltjesversneller (Large Hadron Collider of LHC) helpen
verwezenlijken.
Al vanaf de eerste kilometer op CERN-asfalt in D’Hondts dienstwagen
blijkt dat het onderzoekscentrum kan doorgaan voor een dorp. Twee- en
Hoe het begon
Vandaag wordt het CERN gefinancierd door 21 lidstaten, waaronder
België. Ons land was erbij van in het prille begin, in 1954. D’Hondt licht
toe: “Nadat WOII Europa destijds herleid had tot een ravage, trokken verschillende Europese wetenschappers naar de Verenigde Staten om daar
onderzoek te voeren. Deze braindrain en overzeese wetenschappelijke
successen leidden tot grote frustratie in Europa, waarop beleidsmakers en
wetenschappers besloten om een groot nieuw Europees onderzoekscentrum op te richten. In de jaren 80 begon in de omgeving van Genève dan
de bouw van een cirkelvormige tunnel voor de eerste deeltjesversneller,
de Large Electron-Positron Collider (LEP). Door de zompige moerasgrond
moest men echter 100 meter diep graven tot aan de rotsen om enige stabiliteit te creëren. Na afsluiting van de LEP-experimenten in 2000 startte
in diezelfde tunnel de installatie van de Large Hadron Collidor.” Maar wat
maakt deze laatste deeltjesversneller nu tot zo’n CERN-pronkstuk?
D’Hondt gaat verder. “Uitgaande van de atomen in Mendeljevs tabel
dacht men 100 jaar geleden dat protonen en neutronen in de kern van
“Hier ontstond het internet
en het touchscreen”
atomen en daarrond zwevende elektronen dé
fundamenten van de natuur waren. Toch bleven
er nog veel vragen onbeantwoord. Dankzij de
technologische evolutie kon men in de jaren
60 binnenin protonen kijken en ontdekte men
quarks als een nog meer fundamentele structuur van de materie. Die quarks vormen nu het
standaardmodel van de deeltjesfysica en meteen ook de weg waarop de LHC verder zoekt.”
De mens heeft tot nu toe vier krachten in de
natuur ontdekt: zwaartekracht, elektromagnetische kracht, sterke kracht en zwakke kracht.
Wetenschappers schreven al formules neer die
de drie laatstgenoemde krachten en het universum zoals we dat nu kennen beschrijven,
maar zwaartekracht paste daar nooit in. Met die
formules raken ze steeds dichter tot bij de big
bang, zelfs tot op een 1000ste van een miljardste van een seconde erna. “Over wat er in dat
minieme stukje net na de big bang gebeurd is, hebben we enkel theoretische ideeën. Door protonen met enorme energieën op elkaar te laten botsen in de LHC, willen we een situatie creëren zoals toen. Want de studie
van de deeltjes en de krachten ertussen net na de big bang is cruciaal om
ons universum te begrijpen.”
De LHC versnelt daarom miljarden protonen in beide richtingen zodat die
botsen op vier punten. Door de brokstukken van 40 miljoen botsingen
per seconde te bestuderen, hopen wetenschappers verder te komen in
de zoektocht naar bijzondere fenomenen en de allerkleinste deeltjes.
Ongeveer een uur na de lancering zijn de protonen op topsnelheid en
klaar voor experimenten. D’Hondt maakt het iets concreter: “Als ze op
dat moment uit de bocht zouden vliegen, zou hun energie volstaan om
een hogesnelheidstrein aan 150 km/u te laten rijden … en alle technische
snufjes in de tunnel te verwoesten. CERN verbruikt voor het experiment
dan ook een vermogen van ongeveer 230 megawatt, of iets meer dan 1%
van het totale elektriciteitsverbruik in België.”
“Ik droom van één formule die alles,
maar dan ook alles, beschrijft”
Het ultieme deeltje en andere ontdekkingen
Op de plaatsen in de LHC waar protonen botsen, staan detectoren die
de brokstukken opmeten. Door het gebrek aan een kabel die data van 40
miljoen botsingen (ofwel 40TB) per seconde kan overbrengen, worden
de gegevens van slechts 1 botsing op de 100.000 bijgehouden op harde
schijf. “Een moeilijke selectie, waarvoor fysici per botsing een miljoenste
van een seconde de tijd krijgen. Daarom duurde het ook zo lang totdat het
vermoedelijke Brout-Englert-Higgs-deeltje dat slechts in 1 botsing op de
1000 miljard voorkomt, gevonden werd.”
Waarom wordt dat veelbesproken deeltje de graal van de LHC genoemd?
“Alle fundamentele deeltjes hebben een massa, maar tot voor kort kon
niemand bewijzen hoe dat kwam. Vijftig jaar geleden al beschreven
de Belgische fysici Robert Brout en François Englert (ULB) een theo-
rie die via het bestaan van een nieuw deeltje
de bouwstenen van het universum een massa
gaf. Hun Britse collega Peter Higgs schreef er
pas een maand later over, maar vermeldde wel
expliciet het deeltje, wat hem vermoedelijk de
naamgeving opleverde. De ontdekking van het
mechanisme is dus de verdienste van alle drie de
wetenschappers”, benadrukt D’Hondt.
Het lijkt er steeds meer op dat het deeltje dat
in juli 2012 dankzij de krachtige LHC gevonden werd, het Brout-Englert-Higgs-deeltje is.
D’Hondt herbeleeft zichtbaar de emoties die het
nieuws vorig jaar opriep. “De ontdekking geldt
als een van de grootste verdiensten van het
CERN en de LHC tot nu toe en veroorzaakte
euforie in CERN-contreien! Het wereldvermaarde Science magazine riep de doorbraak ook uit
tot “Breakthrough of 2012”. Maar dit betekent
prof. Jorgen D’Hondt
niet dat het doel bereikt is,” nuanceert hij nog,
“integendeel, het is het startsein voor nog meer experimenten om nog
hogere energieën en nog meer botsingen te creëren met de LHC.” Ook
zijn er al plannen voor een nog sterkere, lineaire versneller vanaf 2025
in Japan.
Jaren van intensief
CERN-onderzoek
leverden al een riant
palmares van geweldige toepassingen op.
D’Hondt presenteert
ons een fractie daaruit. “Het touchscreen
werd in de jaren 70
bedacht om de detec© 2004-2012 UCL HEP group
toren gemakkelijker te
bedienen en ook de
wieg van het world wide web staat hier. Dit is een unieke plek, zonder gelijke. Het enige onderzoekscentrum dat in de buurt komt, is het
Fermilab, in de buurt van Chicago. Voor de opstart van de LHC stond daar
de krachtigste deeltjesversneller, nu komen de Amerikanen naar hier om
onderzoek te doen.”
VUB-Prof. Freya Blekman kreeg dit jaar overigens de prestigieuze internationale CMS LPC Fellowship van het Fermilab om onderzoek te doen en
een werkgroep te coördineren in het CMS-experiment. Daaruit blijkt al
dat de VUB goed bezig is in het CERN … [jdm]
AKADEMOS - JG.16 • NR3 • juni - juli 2013
5
6
CERN
VUB@CERN
aan basis van belangrijke resultaten
Van alle Vlaamse universiteiten vertoeft de VUB
al het langste in het CERN. Terecht trots licht
D’Hondt de rol van zijn alma mater toe. “Het
VUB-team is sinds de start in 1993 betrokken bij ontwerp, opbouw, opstart en uitbating
van een van de vier hoofdexperimenten van de
deeltjesversneller: het Compact Muon Solenoidexperiment. Aan het CMS-experiment werken
ongeveer 3500 wetenschappers en ingenieurs
uit 182 instellingen uit 42 landen. Op de VUB
werd aan het Interuniversity Institute for High
Energy (IIHE) een reeks detectoren gebouwd
die efficiënt binnen het experiment werken.
Daarnaast werd op het VUB-rekencentrum voor
de dataverwerking van de protonenbotsingen
een gigantische hoop computers met bijna 2000
rekeneenheden en meer dan 1000 TB harde
schijven verzameld, wat uniek is in Vlaanderen.”
Naast directeur van het IIHE en HEP@VUB-
coördinator (zie hiernaast) is D’Hondt promotor
voor de Vlaamse FWO-bijdrage aan het CMSexperiment. Zowel in 2007 als in 2008 kreeg
een van zijn doctoraatsstudenten de jaarlijkse CERN-prijs voor de beste doctoraatsthesis
met het CMS-experiment. Een fiere promotor
getuigt: “Aangezien in het experiment gemiddeld meer dan 800 doctoraatsprojecten uit
182 universiteiten of instellingen uit 42 landen lopen, is het des te opmerkelijker dat twee
Belgen – met dezelfde promotor - de prijs twee
opeenvolgende jaren winnen.”
Een twintigtal VUB-wetenschappers werken in
een team mee aan het CMS-experiment, veelal
in leidinggevende rollen. “Omdat ze topresultaten produceren voor sommige metingen, hebben
verschillende belangrijke resultaten een duidelijk VUB-label. Ze zijn leider voor de ontwikkeling van enkele nieuwe reconstructietechnieken
om de analyse van de botsing te optimaliseren.
Daarnaast hebben ze leidinggevende functies
in het management.” Zo is D’Hondt dus secretaris van de Raad van Bestuur van het CMSexperiment en sleepte VUB-prof. Walter Van
Doninck de prestigieuze positie van vicevoorzitter van de Raad van CERN in de wacht. In
2011 organiseerde het IIHE bovendien de jaarlijkse CMS-conferentie. Ongeveer 350 topwetenschappers van over de hele wereld kwamen
toen samen om op campus Etterbeek het CMSonderzoek te bespreken.
“Het VUB-team - meer bepaald Freya Blekman
en Steven Lowette - bemachtigde ook twee
Odysseusmandaten”, rondt D’Hondt af. “Zulke
beurzen bieden onderzoekers die buiten
Vlaanderen een carrière hebben opgebouwd
startfinanciering om aan een Vlaamse universiteit een onderzoekslijn op te zetten.”
© CERN
HEP@VUB - HIGH-ENERGY PHYSICS:
het onzichtbare universum in kaart brengen
HEP@VUB verenigt de experimentele (IIHE) en de theoretische (TENA) deeltjesfysici van de VUB. Het grensverleggende onderzoek van dit
platform in de astrodeeltjesfysica, fysica in deeltjesbotsingen en theoretische hoge-energiefysica staat wereldwijd in de schijnwerpers.
HEP@VUB-onderzoekers bestuderen met verschillende complementaire methoden de fysica bij de hoogste energieschalen die van belang waren
net na de big bang om inzichten te krijgen in de inhoud en werking van het universum.
Fysica in deeltjesbotsingen
Waar halen elektronen en quarks, de bouwstenen van materie, hun massa vandaan? Dankzij de LHC en het decennialange onderzoek van o.a. het
VUB-team werd in juli 2012 het vermoedelijke Brout-Englert-Higgs-deeltje ontdekt.
Astrodeeltjesfysica
Dankzij een wereldwijde samenwerking werd in 2010 een telescoop van 1 kubieke kilometer ijs gecreëerd op de Zuidpool. ‘IceCube’ detecteert
neutrino’s en vergaart zo informatie over extreem hoogenergetische fysische processen in de uithoeken van het heelal. De telescoop is 24 uur
per dag gesynchroniseerd met satellietdata. Als er iets opmerkelijks gebeurt, krijgen VUB-onderzoekers een signaal van NASA, zodat ze kunnen
opzoeken of die gebeurtenis met hoge-energieneutrino’s gepaard ging.
Theoretische hoge-energiefysica
Hoe kunnen we kwantumfysica en zwaartekracht met elkaar verzoenen? Mogelijk is het antwoord op deze vraag snaartheorie. Het VUB-team
onderzoekt de open vraag of snaartheorie de oerknal kan beschrijven. Daarnaast gebruiken ze technieken uit de snaartheorie om uiterst moeilijke berekeningen van meer conventionele fysische systemen te vereenvoudigen.
AKADEMOS - JG.16 • NR3 • juni - juli 2013
7
8
CERN
Disneyland voor fysicafans
Op uitnodiging van Jorgen D’Hondt bezochten 46 Vlaamse tieners, vier begeleiders en twee medewerkers
van de UAB-expertisecel Wetenschapscommunicatie (Wecom) begin mei de CMS-detector van de deeltjesversneller in het CERN. De jongeren en begeleiders maken deel uit van Bekina, een vereniging voor kinderen
en adolescenten die hoogbegaafd en/of uitzonderlijk getalenteerd zijn.
Vijftien van hen volgden eerder de Bright Spark-workshops (zie kader) en zagen dit bezoek als de ultieme
kers op de toch al smakelijke kwantumfysicataart. De anderen schreven zich in uit grote interesse voor
kleine deeltjes. Met uitdagende activiteiten als deze wil Bekina bijdragen tot de maximale zelfontplooiing
van haar leden. En uitdagend was het beslist.
Donderdag 9 mei 2013
Na een lange busreis, korte nacht en grondige
verkenning van het Geneefse openbaarvervoernetwerk, bereiken de CERN-toeristen het
hotel in Saint-Genis-Pouilly waar lunch en frisse berglucht hen opwachten. Jorgen D’Hondt
wordt bij aankomst meteen aangeklampt en
met vragen bestookt maar lijkt dat in geen
geval hinderlijk te vinden. Ondanks het rustgevende vergezicht heerst er een opgewonden
sfeertje. “Morgen gaat met het CERN-bezoek
een droom van me in vervulling!”. “Zoals een
trip naar Disneyland, maar dan voor fysicafans?”, vergelijkt een Wecommer. “Mja, maar in
het CERN gaat alles veel en veel sneller dan in
welk pretpark dan ook!”
’s Avonds krijgt het restaurant auditoriumallures en laat D’Hondt ons kennismaken met zijn
geliefde CERN. Hoewel de meerderheid geen
nood heeft aan een introductie, hangen 52 paar
oren onverstoord aan zijn lippen. Wanneer hij
door tijdsgebrek besluit ‘het stuk over de big
bang’ over te slaan, weerklinkt dan ook een
gedempt doch oprecht teleurgesteld “Allez
nee!”. Gedurende de twee uur durende uiteenzetting rijzen handen de lucht in en worden
alle vragen - van “Maakt dat ding veel lawaai?”
Jeugdige fysicafans hangen aan de lippen van prof. Jorgen D’Hondt
tot “Het schijnt dat het daar bij de eerste
poging ontploft is?”- enthousiast beantwoord.
Ongeacht de bijna slapeloze voorbije nacht. Het
is uiteindelijk een begeleider die besluit dat het
wel is geweest en de tegenstribbelende meute
richting bus en bed stuurt.
Vrijdag 10 mei 2013
D(etector)-Day! Om de spanning nog wat op
te bouwen, bezoeken we eerst de permanente CERN-tentoonstelling. Een zwerm oprecht
geïnteresseerde paparazzi – Wecom incluis hangt voortdurend rond zowel tentoongestelde
objecten als D’Hondt. Ondertussen gaan het
vragenvuur en bijhorend antwoordarsenaal nog
steeds even enthousiast verder. Vooral vragen
naar bedragen blijken populair, vermoedelijk
dankzij hun immer spectaculaire antwoorden.
Zo heeft de versneller 6 miljard euro gekost,
verdeeld over 20 jaar en 21 landen, inclusief
helium- en elektriciteitsfactuur.
Na een middagmaal in de CERN-refter en
een plattelandsritje langs koolzaadvelden en
koeienweides, is het zover. Aan de CMS-basis in
Cessy, op punt 5 van de versnellercirkel, wachten gidsen prof. Walter Van Doninck (VUB) en
dr. Filip Moortgat (alumnus UGent, ex-docto-
randus UA) ons op. Een stevige helm en dito
liftdaling verder naderen we de eindbestemming: de CMS-detector. Als er onderweg nog
een irisscanner aan te pas komt, haast Walter
Van Doninck zich te vermelden dat hoewel het
begin van de film ‘Angels & Demons’ (gebaseerd
op Dan Browns ‘Het Bernini Mysterie’) bij hen
gefilmd is, de truc met het gestolen oog onmogelijk kan in het echte CERN omdat de scanner
enkel irissen van levende ogen scant.
En levendig zijn de ogen des te meer bij aankomst aan de detector. Blikken schieten van
links naar rechts, van boven naar onder, diagonaal en terug over de veelkleurige cirkel met
een doorsnede van 15 meter. De Oh’s en Wow’s
tieren welig, net als de camerakliks. Van smartphone over digitale spiegelreflexcamera tot
wegwerpcamera’s, elk hoekje van de impressionante detector wordt vastgelegd. Soms inclusief
brede smiles en omhooggestoken duimen, met
het oog op een profile pic die alle fysicaminnende Facebookfriends weldra zal imponeren.
© CERN
Ter afsluiting en ter illustratie van die diepe
indruk: een greep uit de reacties en talrijke
superlatieven: “Het CERN was geweldig maar
één dag was veel te kort. Ik moet beslist terug.”
- “Jorgen D’Hondt is de geniaalste mens ter
wereld.” - “Het CMS is het coolste dat ik ooit
gezien heb. Ongelooflijk dat ze dit hebben kunnen maken.” - “Ik vond de CMS het leukst: zo
groot en ingewikkeld maar zeer goed uitgelegd
en interessant!” - “Mijn leukste ervaring is op de
foto met het CMS. Die foto ga ik vergroten en in
mijn kamer hangen!” [jdm]
Eenmaal terug boven worden ervaringen en
bewijsmateriaal druk uitgewisseld. Deze korte
trip zal duidelijk nog lang blijven nazinderen.
Bright Spark workshops - de WOW! van de kwantumfysica
Vijftien Bekina-leden uit het vierde, vijfde en zesde jaar secundair onderwijs volgden van
november 2012 tot januari 2013 de eerste reeks Bright Spark-workshops op de VUB. Tijdens
vier woensdagnamiddagen maakte prof. Jorgen D’Hondt hen wegwijs in de kwantumfysica.
De workshops werden georganiseerd door de VUB, Erasmushogeschool Brussel, Universitaire
Associatie Brussel en vzw Bekina.
AKADEMOS - JG.16 • NR3 • juni - juli 2013
9