Als masterstudent Fysica en Sterrenkunde aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB), kreeg Yens de kans om een week door te brengen op het CERN. Hij kon er zelfs meewerken aan een gloednieuw toekomstig experiment.
De Europese organisatie voor nucleair onderzoek (CERN) is een onderzoekscentrum dat na de Tweede Wereldoorlog werd opgericht onder het motto “Science for Peace”. CERN is geen klein laboratorium, maar een gigantisch complex waarvan de hoofdsite zich bevindt nabij Genève, op de Frans-Zwitserse grens.
Paradijs voor nerds
In de verfilmde roman Het Bernini Mysterie beschrijft Dan Brown CERN als een internationaal paradijs voor nerds, en dat klopt ook wel een beetje. De gangen en kantoordeuren hangen er vol met vakspecifieke cartoons en woordgrapjes, CERN-wetenschappers lopen er rond met Pac-Mansokken en de straten op de site zijn vernoemd naar bekende wetenschappers. Als er een nieuwe Star Wars-film uitkomt, kan het zelfs zijn dat twee onderzoekers elkaar met lightsabers te lijf gaan. Ook voor een fysicastudent zoals ik is het soms wat overweldigend.
"Aan die snelheid vlieg je per seconde ongeveer zeven en een halve keer rond de wereldbol!"
Van een mug een oerknal maken
Als kind at ik enorm graag de chocolade-eitjes van Kinder Surprise. Toen leerde ik dat je het ei stuk moet slaan om te weten wat erin zit. Laat die vernielingsdrang nu net de gedachtegang zijn achter hét pronkstuk van CERN: de Large Hadron Collider (LHC). De LHC is een cirkelvormige machine die opgesteld staat in een ondergrondse tunnel van 27 km lang, en protonen kan versnellen tot 99,999999% van de lichtsnelheid. Aan die snelheid vlieg je per seconde ongeveer zeven en een halve keer rond de wereldbol! De LHC stuurt pakketjes protonen in twee tegengestelde richtingen en laat ze daarna tegen elkaar botsen met een gigantische energie van dertien Tera-elektronvolt. Dat komt ongeveer overeen met de energie van tien vliegende muggen. (Persoonlijk zou ik een zwerm van tien muggen vermijden. Niet omdat hun energie zo impressionant is, maar omdat muggenbeten uiterst onaangenaam zijn.) Als ik dan bedenk dat diezelfde hoeveelheid energie veroorzaakt wordt door het botsen van deeltjes die een biljoen keer kleiner zijn dan een mug, ben ik enorm onder de indruk van de kracht van de LHC!
Einstein leerde ons met zijn befaamde formule E=mc² dat een klein beetje massa omgezet kan worden in heel veel energie, en dat heel veel energie ook kan worden omgezet in kleine beetjes massa, ofwel deeltjes. Dus wanneer twee protonen tegen elkaar kapot worden “geslagen” met een energie van tien vliegende muggen, ontstaan er honderden nieuwe deeltjes. Deeltjesfysici plaatsen rond botsingspunten van de LHC detectoren die de positie, snelheid en energie van zulke deeltjes meten. Zo proberen ze beter te begrijpen welke verrassingen het universum op de allerkleinste schaal verstopt heeft. Je kunt zo’n detector zien op de foto met de vechtende Star Wars-fans: de CMS-detector waar de VUB zeer actief aan meewerkt.
Een milli-kans voor milliQan?
Mijn vier jaar oude smartphone is niet zo snel meer, heeft een batterij die snel leegloopt en wil enkel opladen als de kabel onder een bepaalde hoek ligt. Het wordt stilaan tijd dat ik een nieuwer model overweeg. Materiaal verslijt, en intussen ontwikkelen nieuwe technologieën zich: het is met machines zoals de LHC en de bijbehorende detectoren niet anders. Tijdens het versnellen en botsen van protonen komt er heel wat straling vrij die de meetinstrumenten op lange termijn beschadigt. Verouderde onderdelen moeten dus vervangen worden door moderner materiaal. Daarom wordt de LHC tussen eind 2018 en begin 2021 stilgelegd zodat een leger aan fysici en ingenieurs van over heel de wereld samen kunnen werken om deze wondermachine te upgraden.
Tijdens zo’n upgrade vragen CERN-wetenschappers zich af: “Kunnen we meer uit de LHC halen?”. Die meerwaarde kan zich vertalen in het gebruik van meer of exactere apparatuur of, in sommige gevallen, het toevoegen van een extra (kleinere) detector. Een voorbeeld van zo’n extra detector is milliQan, vernoemd naar de Amerikaanse fysicus Robert Millikan die in 1923 de Nobelprijs kreeg voor het bepalen van de lading van het elektron.
MilliQan zou in staat zijn om deeltjes met een milli-lading te detecteren. Een milli-lading? Die term kan inderdaad wat uitleg gebruiken. Je herinnert je misschien uit je fysicalessen in het middelbaar dat deeltjes een elektrische lading bezitten. Die kan positief (proton), negatief (elektron) of nul (neutron) zijn en wordt in formules aangeduid met een ‘Q’ (vandaar de ‘Q’ in ‘milliQan’). De lading van een elektron noemt men ook wel de elementaire lading. Tot op vandaag konden fysici enkel deeltjes waarnemen waarvan de lading een ‘geheel veelvoud’ is van die van het elektron: een keer zoveel, twee keer zoveel, drie keer zoveel… geen kommagetallen dus. Er blijkt echter geen experimenteel bevestigde reden te zijn waarom er daarnaast ook geen ladingen zouden kunnen bestaan die een niet-geheel veelvoud zijn van die elementaire lading. Zo kan je, in een zotte bui, best deeltjes verzinnen met een lading die 0.5 keer, 2.6 keer of zelfs π keer de lading van het elektron bezitten. Meer zelfs: sommige wiskundige modellen voorspellen het bestaan van deeltjes met een lading van ongeveer een duizendste van de elementaire lading, deeltjes met een zogenaamde “milli-lading” (net zoals een duizendste van een meter een millimeter wordt genoemd).
Op dit ogenblik is milliQan nog maar een werkend prototype om het principe en de gevoeligheid van de detector te demonstreren. En dat is nu net waar het onderzoek van mijn masterproef interessant wordt. Het materiaal waaruit milliQan bestaat detecteert niet enkel deeltjes die ontstaan uit protonbotsingen in de LHC, maar ook deeltjes die bijvoorbeeld afkomstig zijn van kosmische straling. Dat noemen we achtergrond. Het is dus belangrijk om te weten waar die achtergrond vandaan komt en hoe die zich gedraagt. Zo kunnen we die onderscheiden van die mysterieuze milli-geladen deeltjes. En dat is wat ik daar onderzocht heb. Ik heb gewerkt op de plek waar het prototype staat (70 meter onder de grond, 30 meter boven de LHC-tunnel) om achtergrondmetingen uit te voeren. Eenmaal terug in Brussel zal ik die metingen analyseren en mijn resultaten delen met het milliQan-team. Zij kunnen de resultaten van mijn masterproef gebruiken om voorspellingen te maken over het potentieel van milliQan.
Yes we milliQan!
Aan de hand van de eerste resultaten ziet het ernaar uit dat het uiteindelijke milliQan-experiment deeltjes met een milli-lading zal kunnen detecteren. Dat heeft mij in ieder geval warm gemaakt voor het onderzoek. Nu ik op CERN kon samenwerken met een aantal leden van het milliQan-team en zelf de handen uit de mouwen kon steken met het prototype van de nieuwe detector, ben ik ervan overtuigd dat dit experiment milli-geladen deeltjes zal kunnen ontdekken indien ze bestaan. Om voormalig Amerikaans president Barack Obama te parafraseren:
Yes we milliQan!
Het onderzoek van Yens Elskens gebeurt in de onderzoeksgroep “Elementaire deeltjes” van het departement Fysica op de VUB onder begeleiding van promotor prof. Steven Lowette, die sinds maart 2019 lid is van het milliQan-experiment.
