De wetenschap van deeltjesfysica kijkt naar de bouwstenen van de materie - de atomen en deeltjes die een groot deel van het materiaal in de kosmos uitmaken. Het is een complexe wetenschap die nauwkeurige metingen vereist van deeltjes die met hoge snelheden bewegen. Deze wetenschap kreeg een enorme boost toen de Large Hadron Collider (LHC) in september 2008 in gebruik werd genomen. De naam klinkt erg "sciencefiction", maar het woord "collider" legt eigenlijk precies uit wat het doet: zend twee hoogenergetische deeltjesbundels met bijna de lichtsnelheid rond een 27 kilometer lange ondergrondse ring. Op het juiste moment worden de balken gedwongen te "botsen". Protonen in de bundels slaan dan tegen elkaar aan en, als alles goed gaat, worden kleinere stukjes en beetjes - subatomaire deeltjes genoemd - gemaakt voor korte momenten. Hun acties en bestaan worden vastgelegd. Door die activiteit leren natuurkundigen meer over de zeer fundamentele bestanddelen van materie.
LHC en deeltjesfysica
De LHC is gebouwd om een aantal ongelooflijk belangrijke vragen in de natuurkunde te beantwoorden, dieper ingaan op waar massa vandaan komt, waarom de kosmos is gemaakt van materie in plaats van het tegengestelde "spul" genaamd antimaterie, en wat het mysterieuze 'spul' dat bekend staat als donkere materie mogelijk zou kunnen zijn. Het kan ook belangrijke nieuwe aanwijzingen geven over de omstandigheden in het zeer vroege heelal wanneer de zwaartekracht en elektromagnetische krachten werden allemaal gecombineerd met de zwakke en sterke krachten tot één allesomvattend dwingen. Dat gebeurde maar een korte tijd in het vroege universum en natuurkundigen willen weten waarom en hoe het veranderde.
De wetenschap van de deeltjesfysica is in wezen de zoektocht naar de zeer basale bouwstenen van materie. We weten van de atomen en moleculen waaruit alles wat we zien en voelen bestaat. De atomen zelf bestaan uit kleinere componenten: de kern en elektronen. De kern bestaat zelf uit protonen en neutronen. Dat is echter niet het einde van de lijn. De neutronen bestaan uit subatomaire deeltjes die quarks worden genoemd.
Zijn er kleinere deeltjes? Dat is waar deeltjesversnellers voor bedoeld zijn. De manier waarop ze dit doen, is door omstandigheden te creëren die lijken op hoe het net daarna was de Big Bang - de gebeurtenis die het universum begon. Op dat moment, ongeveer 13,7 miljard jaar geleden, bestond het universum alleen uit deeltjes. Ze werden vrij verspreid door de kleine kosmos en zwierven constant. Deze omvatten mesonen, pionen, baryons en hadronen (waarnaar het gaspedaal is genoemd).
Deeltjesfysici (de mensen die deze deeltjes bestuderen) vermoeden dat materie bestaat uit minstens twaalf soorten fundamentele deeltjes. Ze zijn onderverdeeld in quarks (hierboven genoemd) en leptonen. Van elk type zijn er zes. Dat verklaart slechts enkele van de fundamentele deeltjes in de natuur. De rest ontstaat bij super-energetische botsingen (ofwel in de Big Bang ofwel in versnellers zoals de LHC). Binnen die botsingen krijgen deeltjesfysici een zeer snelle glimp van hoe de omstandigheden waren bij de oerknal, toen de fundamentele deeltjes voor het eerst werden gecreëerd.
Wat is de LHC?
De LHC is de grootste deeltjesversneller ter wereld, een grote zus van Fermilab in Illinois en andere kleinere versnellers. LHC bevindt zich in de buurt van Genève, Zwitserland, gebouwd en beheerd door de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, en wordt gebruikt door meer dan 10.000 wetenschappers van over de hele wereld. Langs de ring hebben natuurkundigen en technici extreem sterke onderkoelde magneten geïnstalleerd die de stralenbundels door een straalpijp leiden en vormen). Zodra de balken snel genoeg bewegen, leiden gespecialiseerde magneten ze naar de juiste posities waar de botsingen plaatsvinden. Gespecialiseerde detectoren registreren de botsingen, de deeltjes, de temperaturen en andere omstandigheden op dat moment van de botsing, en de deeltjesacties in de miljardste van een seconde waarin de smash-ups plaatsvinden plaats.
Wat heeft de LHC ontdekt?
Toen deeltjesfysici de LHC hadden gepland en gebouwd, hoopten ze één ding te vinden het Higgs-boson. Het is een deeltje vernoemd naar Peter Higgs, die het bestaan ervan voorspelde. In 2012 kondigde het LHC-consortium aan dat uit experimenten het bestaan van een boson was gebleken dat voldeed aan de verwachte criteria voor het Higgs-boson. Naast de voortdurende zoektocht naar de Higgs, hebben wetenschappers die de LHC gebruiken, een zogenaamd "quark-gluon-plasma" gemaakt, wat de dichtste materie is die buiten een zwart gat wordt gedacht. Andere deeltjesexperimenten helpen natuurkundigen om supersymmetrie te begrijpen, wat een ruimtetijd-symmetrie is die twee gerelateerde soorten deeltjes omvat: bosonen en fermionen. Van elke groep deeltjes wordt gedacht dat ze een geassocieerd superpartner-deeltje in de andere hebben. Het begrijpen van dergelijke supersymmetrie zou wetenschappers meer inzicht geven in wat het "standaardmodel" wordt genoemd. Het is een theorie die uitlegt wat de wereld is, wat haar materie bij elkaar houdt en welke krachten en deeltjes erbij betrokken zijn.
De toekomst van de LHC
De operaties bij de LHC omvatten twee grote "observatie" -runs. Daartussenin wordt het systeem opgeknapt en geüpgraded om de instrumentatie en detectoren te verbeteren. De volgende updates (gepland voor 2018 en daarna) zullen een toename van de botssnelheden omvatten en een kans om de helderheid van de machine te vergroten. Dat betekent dat LHC steeds zeldzamere en sneller optredende processen van deeltjesversnelling en botsing zal kunnen zien. Hoe sneller de botsingen kunnen plaatsvinden, hoe meer energie er vrijkomt omdat er steeds kleinere en moeilijker te detecteren deeltjes bij betrokken zijn. Dit geeft deeltjesfysici een nog betere kijk op de bouwstenen van materie waaruit de sterren, sterrenstelsels, planeten en het leven bestaan.