Fysica XXL De grootste

GROOT, GROTER,

EXTREEM GROOT

Een veertig meter grote telescoop, een detector met vijftig ton xenon en miljoenen kilometers uit elkaar zwevende sondes: fysica-experimenten nemen steeds meer plek in.

Door Dorine Schenk

De deeltjesversneller LHC heeft een omtrek van 27 kilometer. De armen van de zwaartekrachtsgolvendetector Ligo zijn vier kilometer lang. Hoeveel groter kunnen natuurkunde experimenten nog worden? Veel groter, blijkt. Neem bijvoorbeeld Lisa, die in de ruimte een gebied van miljoenen kilometers gaat beslaan om meer zwaartekrachtsgolven te vinden. In de natuurkunde klopt de uitspraak the bigger, the better (hoe groter, hoe beter) verrassend vaak. Met grotere deeltjesdetectoren heb je meer kans om een deeltje te vangen. Een visser met een groter net zal immers sneller een vis vangen. Grotere telescopen vangen meer licht waardoor we het heelal beter kunnen bestuderen. En grotere deeltjesversnellers kunnen deeltjes tot een nog hogere snelheid opjagen.

In de komende decennia worden natuurkundige experimenten alleen maar groter. Ook de locaties zijn extreem: diep in de zee, op een drie kilometer hoge berg in Chili, in afgelegen woestijnen in Afrika en Australië en in de ruimte. We bespreken een handvol fysische megaprojecten die de komende tijd worden opgezet.

In de natuurkunde klopt de uitspraak ‘hoe groter, hoe beter’ verrassend vaak

De missie van verkenner Lisa Pathfinder was een ongekend succes.

C.CARREAU /ESA Laser Interferometer Space Antenna

Lasers in de ruimte

Over achttien jaar zweven drie ruimtevaartuigen op een paar miljoen kilometer afstand van elkaar in een driehoekige formatie. Het geheel zal op vijftig miljoen kilometer afstand van de aarde zweven en in dezelfde baan als onze planeet om de zon draaien. Voor de lancering worden de drie ruimteschepen op elkaar gestapeld en in één keer gelanceerd. Vervolgens koppelen de drie zich los en vliegen ze zelfstandig naar hun uiteindelijke baan. Daar aangekomen wordt de module die nodig was voor de voortstuwing afgeworpen en kan het wetenschappelijke experiment beginnen. Laser Interferometer Space Antenna (Lisa) is dan de eerste gravitatiegolvendetector in de ruimte.

Tijdens het onderzoek wordt met lasers de onderlinge afstand tussen de ruimtevaartuigen continu zeer nauwkeurig gemeten. Een kleine verandering van die afstanden, veroorzaakt door een passerende gravitatiegolf, kan op die manier gemeten worden. De rimpelingen in de ruimtetijd die veroorzaakt worden door ronddraaiende zwarte gaten, samensmeltende neutronensterren en andere indrukwekkende gebeurtenissen in het heelal kunnen hiermee nog beter gemeten worden. Lisa is namelijk een stuk groter dan haar aardse broertjes Ligo en Virgo, die L-vormig zijn en armen hebben van respectievelijk vier en drie kilometer lang. Lisa kan dankzij haar grootte gravitatiegolven met lage frequenties meten. Dit soort golven zijn afkomstig van dubbelstersystemen in de Melkweg en superzware zwarte gaten. Daarnaast heeft Lisa geen last van vervelende aardse trillingen, zoals die van langsrijdende vrachtwagens.

In december 2015 werd Lisa Pathfinder gelanceerd. Deze verkenner heeft de instrumenten getest die door Lisa gebruikt gaan worden. De apparatuur bleek boven verwachting te presteren en de verkenningsmissie verliep vlekkeloos. Daarnaast werd in februari 2016 bekendgemaakt dat de eerste gravitatiegolven op aarde gemeten waren door Ligo in de VS. Het bewijs van het bestaan van de golven gaf een extra motivatie voor de Lisa-missie. Dankzij deze geweldige resultaten besloot Nasa - dat zich in 2011 had teruggetrokken wegens budgettaire redenen - in september 2016 weer toe te treden tot de missie.

De lancering van Lisa staat gepland voor 2034, maar ESA hoopt een paar jaar daarvoor al zover te zijn.

Darwin

Ultieme donkere-materiedetector

Het grootste deel van het heelal bestaat uit een vorm van materie die we niet kennen en niet kunnen zien: donkere materie. Al decennia wordt er hard naar gezocht, maar tot nu toe heeft nog niemand donkere materie gevonden.

Voor 2019 staat de bouw gepland van Darwin (DARk matter WImp search with liquid xenoN). Deze donkeremateriedetector gaat vijftig ton vloeibaar xenon bevatten, vijftig keer meer dan de huidige detectoren. Dit klinkt indrukwekkend, maar deze hoeveelheid past in een vat met een diameter en hoogte van ruim 2,5 meter.

Darwin gaat, net als voorgangers Xenon, Lux en PandaX, op zoek naar WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). WIMPs zijn deeltjes waaruit donkere materie in theorie kan bestaan. Ze zijn relatief zwaar en gaan bijna geen reacties aan met gewone materie. Toch zijn deze theoretische deeltjes wel meetbaar. Ze botsen namelijk heel af en toe met een deeltje dat wij kennen. Daarbij ontstaat een lichtflitsje. Dit flitsje kan gemeten worden en zou bewijs leveren voor het bestaan van WIMPs.

Er wordt al jaren gezocht naar botsingen van WIMPs in grote vaten met vloeibaar xenon, maar tevergeefs. Dat betekent niet dat WIMPs niet bestaan. Er zijn namelijk modellen die voorspellen dat de deeltjes zo weinig botsen dat we ze pas zien als we nog grotere vaten vloeibaar xenon bouwen. Meer xenon betekent namelijk meer kans om een botsing te zien. Daarom wordt Darwin zo veel groter dan zijn voorgangers.

In 2024 beginnen de metingen van Darwin. Het doel is om zelfs de meest lastige versies van de WIMPs te kunnen meten. Als Darwin de WIMPs niet kan vinden, dan kan geen enkel andere directe detectiemethode het. Darwin wordt daarom de ultieme donkeremateriedetector genoemd.

European Extremely Large Telescope

Vijftien keer scherper dan de Hubble

In de sterrenkunde is de schaalvergroting van het onderzoek goed af te lezen aan de namen van telescopen. Momenteel staat in de droogste woestijn ter wereld al de Very Large Telescope (VLT). Deze bestaat uit vier telescopen met elk een diameter van acht meter. Er waren zelfs plannen voor de Overwhelmingly Large Telescope (OLT), met een diameter van honderd meter. Dat bleek iets te hoog gegrepen, maar sterrenkundigen zijn nu wel bezig met de bouw van de European Extremely Large Telescope (E-ELT).

De hoofdspiegel van de E-ELT krijgt een diameter van 39 meter en is daarmee de grootste telescoop ter wereld voor zichtbaar licht (radiotelescopen zijn vaak veel groter). De door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) ontworpen detector wordt vier tot vijf keer groter dan de huidige telescopen. Daarnaast kan hij vijftien keer meer licht opvangen en worden de beelden vijftien keer scherper dan die van de Hubble-ruimtetelescoop. De bouw startte in 2014 en de eerste metingen staan gepland voor 2024. Op de foto's is het dus nog een paar jaar wachten.

Het is niet mogelijk en technisch ook niet wenselijk om zo’n grote spiegel uit één stuk te maken. In plaats daarvan zal hij worden opgebouwd uit 798 zeshoekige stukken van elk 1,4 meter breed en 5 centimeter dik. Bovendien zijn de spiegels verstelbaar, zodat ze kunnen compenseren voor atmosferische turbulentie die het licht van de sterren kan verstrooien. Dit geeft een scherper beeld. Om de beeldkwaliteit nog verder te verbeteren, is gekozen voor een plek die hoog ligt en waar de lucht droog is. De telescoop komt daarom op de 3060 meter hoge Cerro Armazones-berg in Chili te staan.

De enorme diameter van 39 meter is niet zomaar gekozen. Het is de minimale doorsnede die nodig is om de atmosfeer van planeten buiten het zonnestelsel in kaart te brengen en de versnelde uitdijing van het heelal direct waar te nemen. E-ELT zal onder andere worden ingezet om de veranderingen in chemische samenstelling en de versnelde uitdijing van het heelal te bestuderen. Verder zal hij het ontstaan van de eerste sterren en sterrenstelsels onderzoeken. Door ook naar de vorming van planetenstelsels te kijken, kunnen vragen over de vorming van planeten en het ontstaan van leven mogelijk uit de E-ELTgegevens beantwoord worden.

Een ander onderzoeksdoel van de telescoop is het zoeken naar aardachtige planeten die zich in de ‘leefbare zone’ rond andere sterren bevinden. Daar kan leven op voorkomen. Om deze planeten te vinden kijkt E-ELT naar schommelende bewegingen van sterren, veroorzaakt door een planeet die eromheen draait. Bovendien is de apparatuur gevoelig genoeg om rechtstreekse opnames te maken van de gevonden planeten, waarbij hun atmosfeer bestudeerd kan worden. Wellicht vindt E-ELT in de komende vijftig jaar ET.

Er waren zelfs plannen voor de Overwhelmingly Large Telescope

De naam van de Extremely Large Telescope laat aan duidelijkheid niets te wensen over.

ESO/L. CALÇADA/ACE CONSORTIUM

In de Middellandse Zee kunnen neutrino’s botsen zonder dat het bijbehorende lichtflitsje verloren gaat.

E. BERBEE/NIKHEF

KM3NeT

Deeltjes onder de zee

Op drie tot vijf kilometer diepte in de Middellandse Zee is dit jaar de bouw gestart van een driedelige detector van enkele kubieke kilometers groot. Het eerst deel komt 40 kilometer uit de kust bij Toulon, Frankrijk te liggen. Het tweede gedeelte komt terecht op 100 kilometer van het zuidelijkste deel van Sicilië, Italië. En het laatste gedeelte komt in de buurt van Pylos, Griekenland.

De gigantische detector Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT) zal uit meer dan 320 kabels bestaan die vastgemaakt worden op de bodem van de zee. Aan deze kabels zitten in totaal tienduizenden bolvormige, optische modules die de signalen moeten opvangen. De eerste metingen staan gepland voor 2025.

Met de detector zal gezocht worden naar neutrino’s: ongeladen elementaire deeltjes. Ze zijn niet erg zeldzaam; er vliegen ruim een miljard per seconde door een oppervlak ter grootte van een duimnagel. Toch zijn ze erg lastig te meten omdat ze bijna nooit interacties hebben met andere deeltjes. Ze vliegen ongemerkt overal doorheen, zelfs door de aarde.

De meeste neutrino’s op aarde komen van de zon. Daar worden ze gemaakt bij de kernfusie die daar plaatsvindt. Het meest zeldzaam zijn neutrino’s die van buiten ons zonnestelstel komen en ontstaan in ‘kosmische deeltjesversnellers’, zoals supernova-explosies.

Over deze kosmische deeltjesversnellers hopen onderzoekers via neutrino’s meer te leren. Omdat neutrino’s bijna geen interacties aangaan met andere materie, beïnvloeden stofwolken en andere obstakels in het universum hun pad niet. Daardoor wijzen ze in een rechte lijn naar de plek waar ze ontstonden.

Neutrino’s zelf zijn niet te meten, maar het licht dat ontstaat als ze met een ander deeltje botsen wel. Helaas gebeurt dat bijna nooit, waardoor er heel veel materiaal nodig is om een paar neutrino’s te zien. Vandaar dat de zee een van de beste plekken is voor een neutrinotelescoop.

Square Kilometre Array

Duizenden antennes in de woestijn

De Square Kilometre Array (SKA) wordt de grootste radiotelescoop ter wereld. De opstelling bestaat uit duizenden antennes verspreid over twee grote gebieden. In de boomloze halfwoestijn Karoo in Zuid-Afrika worden tijdens de eerste fase (SKA1) bijna 200 schotelantennes op 0,33 vierkante kilometer geplaatst.

In het rode zand van een droge vlakte in West-Australië wordt een gebied van 0,4 vierkante kilometer bedekt met ongeveer 130.000 dipoolantennes van twee meter hoog. SKA1 kost 650 miljoen euro en dient vooral als proof of concept. Als zijn metingen de gewenste precisie opleveren, dan mag het project uitgebreid worden. De bouw van SKA1 gaat in 2018 van start. Eind 2020 moeten de eerste metingen beginnen.

In de tweede fase (SKA2) wordt de telescoop uitgebreid naar 2000 antennes in Zuid-Afrika en een miljoen in Australië. Die uitbreiding begint in 2023. In 2030 moeten de eerste metingen met de volledige opstelling beginnen.

SKA gaat radiostraling met golflengten van enkele centimeters tot vijf meter waarnemen. Hiermee kan het heelal in groter detail dan ooit bestudeerd worden. Daarnaast kan er erg zwakke radiostraling gemeten worden die afkomstig is van hemellichamen die zich miljarden lichtjaren van ons vandaan bevinden. Deze signalen stammen uit de tijd waarin de eerste sterrenstelsels ontstonden, meer dan 13 miljard jaar geleden. Met de metingen van SKA kunnen vragen beantwoord worden zoals: hoe ontstonden sterren en sterrenstelsel? Wat is donkere materie? Wat is donkere energie? En wellicht worden zelfs signalen opgevangen die uitgezonden zijn door buitenaards leven.

Veel radiostraling van menselijke oorsprong valt echter binnen het bereik van SKA. Om te voorkomen dat de metingen verstoord worden, bevinden de telescopen in Australië en ZuidAfrika zich in afgelegen gebieden. Verder is er gekozen voor droge gebieden omdat radiostraling gehinderd wordt door vocht in de lucht.

Dankzij zijn omvang en zijn gunstige locatie zal zelfs SKA1 al minstens vijf keer betere resultaten opleveren dan de huidige radiotelescopen. Bovendien verzamelt hij de data razendsnel. Als SKA2 afgerond is, levert de telescoop veertien biljoen megabytes aan data per dag.

DE KEUZEDIJKGRAAF VAN

‘Deze projecten laten zien hoe de fundamentele natuur- en sterrenkunde vooroplopen in internationale samenwerking. Ze zijn mooi verdeeld over de verschillende continenten. Dat laat zien dat we in de wetenschap als wereld kunnen samenwerken. Er zijn internationale conflicten gaande, maar het kijken door de grootste telescoop of door de grootste microscoop (deeltjesversnellers) kunnen we wel gezamenlijk als mensheid. Om het universum te doorgronden, moeten we met elkaar het laboratorium ‘planeet aarde’ gebruiken.’ International Linear Collider

31 kilometer lange racebaan

Een van de opvolgers van de LHC bij Cern wordt niet cirkelvormig maar langwerpig. Hij krijgt een lengte van 31 kilometer en gaat leptonen (elektronen en positronen) versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Voor het versnellen worden supergeleidende magneten gebruikt. Omdat voor supergeleiding extreem lage temperaturen nodig zijn, wordt het in de tunnel ondenkbaar koud: twee Kelvin (-271°C).

Aan de ene kant van de International Linear Collider (ILC) worden elektronen versneld en aan de andere kant anti-elektronen, oftewel positronen. De botsingen vinden plaats in het midden van de 31 kilometer. Er zal vooral gekeken worden naar het higgsdeeltje en de topquark: de zwaarste van alle zes de quarks.

Er is nog geen locatie gekozen voor de versneller. De grootste kanshebber is Japan. Daar kan de ILC gehuisvest worden in een tunnel ten noorden van Tokyo. In 2018 besluit de regering of dit plan door kan gaan. Voor de regering is het bestuderen van higgsdeeltjes en topquarks op zichzelf niet genoeg reden om een nieuwe detector te bouwen. Ze wil eerst kijken wat voor resultaten de LHC oplevert als die in 2018 op vol vermogen draait. Als daar nieuwe deeltjes ontdekt worden, gaat het project zeker door. De bouw gaat dan in 2020 van start en de eerste experimenten vinden naar verwachting in 2030 plaats.

De ILC gaat leptonen (elektronen en positronen) versnellen, in plaats van de protonen die in de LHC rondsuizen. Per seconde zullen er 7000 botsingen plaatsvinden bij een energie van 500 GeV. Dit betekent dat de deeltjes met bijna de

De Great Collider in China wordt mogelijk bijna vier keer zo groot als zijn tegenhanger op Cern.

lichtsnelheid reizen. Net als bij de eerste fase van de Great Collider (zie hieronder) zijn de botsingen minder krachtig, omdat leptonen minder wegen dan protonen. Daarentegen is het een voordeel dat leptonen botsingen met minder bijproducten opleveren, waardoor beter te zien is wat er gebeurt.

Tussen alle deeltjes die de ILC gaat produceren, zitten ook higgsdeeltjes. Deze gaan in meer detail bestudeerd worden om te bepalen of ze zich precies volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica gedragen. Als dit niet zo is, zijn er nieuwe theorieën nodig om de eigenschappen te beschrijven. Verder kan de ILC modellen testen die het bestaan van meerdere, verschillende higgsdeeltjes voorspellen. En zoals altijd hopen fysici bij de experimenten nieuwe deeltjes te ontdekken.

Niet rond maar langwerpig: de International Linear Collider wordt de rechte opvolger van de Large Hadron Collider.

REY.HORI/KEK

Great Collider

Grootste deeltjesversneller ter wereld

In een tunnel van vijftig tot honderd kilometer omtrek op een diepte van vijftig tot honderd meter onder de grond gaan twee soorten leptonen (elektronen en positronen) rondsuizen. Deze toekomstige deeltjesbotser wordt daarmee een stuk groter dan de LHC, de 27 kilometer lange deeltjesversneller in Genève. De bouw van ‘s werelds grootste circulaire elementaire-deeltjesversneller vlakbij Beijing in China start waarschijnlijk in 2021.

Er gaan miljoenen higgsdeeltjes geproduceerd worden om de eigenschappen van dit in 2012 ontdekte deeltje beter te bestuderen. Er is namelijk nog veel onbekend over het higgsdeeltje. Hoe het precies ontstaat bijvoorbeeld, en of het een interne structuur heeft. De metingen van de LHC zijn niet precies genoeg om dit te achterhalen, maar de Circular Electron Positron Collider, zoals de eerste fase van de Great Collider gaat heten, kan dit wel.

Dit komt mede doordat botsingen tussen de leptonen weliswaar minder krachtig, maar wel ‘schoner’ zijn dan botsingen tussen protonen. Protonen hebben een interne structuur: ze bestaan uit quarks en gluonen, waardoor een botsing is alsof je twee zakken vol met knikkers op elkaar laat knallen. Dit geeft veel meer rommel dan wanneer elementaire deeltjes zoals elektronen en positronen botsen. Die hebben namelijk geen interne structuur, zodat je ze voor kunt stellen als een enkele knikker. Er wordt dan minder rommel geproduceerd, zodat je beter kunt kijken naar datgene waar je in geïnteresseerd bent, bijvoorbeeld een higgsdeeltje.

In 2040 krijgt de Great Collider een upgrade. Er kunnen dan ook protonen in versneld en tot botsing gebracht worden. Dit zijn dezelfde deeltjes als die nu in de LHC op elkaar knallen. De Super Proton Proton Collider, zoals de tweede fase gaat heten, zal botsingsenergieën bereiken van maar liefst honderd TeV. Dat is ruim zeven keer krachtiger dan de LHC. Het plan is om de protontunnel zo aan te leggen dat die de leptonenbotsingen niet stoort. In theorie kunnen leptonen en protonen dan tegelijk versneld worden.

De keus voor China is niet vreemd. Het land beschikt over het geld en de techniek om een dergelijke grote versneller te bouwen. Voor de kennis en ervaring zullen de Chinezen wel nauw gaan samenwerken met wetenschappers over de hele wereld, bijvoorbeeld uit het Fermilab: het Amerikaanse onderzoekscentrum voor hogeenergiefysica.