De quarksoep is bijna gaar

7 januari 1995
MARTIJN VAN CALMTHOUT

Het lijkt erop dat in Genève de omstandigheden van vlak na de Big Bang zijn nagebootst. De voorwaarden zijn er geschapen voor het maken van oersoep, het plasma waaruit materie is gecondenseerd. Nu moet het bewijs nog uit de achtergrondruis worden gevist.

(foto)

De SPS-kernversneller in zijn tunnel bij CERN in Genève. Sporen van de honderden deeltjes die ontstaan wanneer een zwavelkern hard op een goudkern botst. Voor het ontstaan van oermaterie, het quark-gluonplasma, zijn deze kernen niet massief genoeg. FOTO'S CERN

WOENSDAG hing het er nog om, maar na nog een dag rekenen durfde dr H. Löhner van het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen het al zachtjes te zeggen. Bij experimenten die zijn groep in december in Genève heeft gedaan, zouden omstandigheden kunnen zijn gecreëerd die de onderzoekers een stap dichter bij de oerknal brengen.

Voor het eerst zouden materiedeeltjes zo ver kunnen zijn samengeperst dat ze oplosten in een soort oersoep, het zogeheten quark-gluonplasma, dat na de oerknal bestond vóórdat er materiedeeltjes uit condenseerden.

Zouden kunnen?


Zouden kunnen, zegt Löhner, 'want we kunnen alleen aantonen dat de voorwaarden zijn gecreëerd die volgens de meeste theoretici nodig zijn om zo'n plasma te maken. Daarmee is het plasma nog niet aangetoond, maar het kàn er geweest zijn. De gedetailleerde analyse van onze metingen zal nog wel twee jaar in beslag nemen. Bingo, roep ik eventueel dàn wel.'

Het klinkt laconiek voor iemand wiens levenswerk de jacht op quarksoep is. Sinds ruim tien jaar is de van oorsprong Duitse fysicus nauw betrokken bij experimenten waarbij zware atoomkernen met zo hoog mogelijke energie op elkaar worden geschoten. Zo'n atoomkern bestaat uit protonen en neutronen, die beide zijn opgebouwd uit quarks, die door gluonen (lijmdeeltjes) aan elkaar worden gekoppeld.

Als met een botsing genoeg energie in de aanwezige materiedeeltjes wordt gepompt, kan er in theorie een plotselinge overgang optreden van een mengsel van protonen en neutronen naar een mengsels van quarks en gluonen. Het vermoeden is dat het een echte fase-overgang moet zijn, zoals die ook optreedt wanneer water aan de kook raakt en van vloeistof verandert in waterdamp.

Het omgekeerde proces kan vlak na het ontstaan van het universum hebben geleid tot het ontstaan van materie. In de gangbare Big Bang-theorie bestond het heelal in eerste instantie alleen uit samengebalde stralingsenergie, die via een aantal condensaties in materie is overgegaan.

De overgang van een quark-gluonplasma naar protonen en neutronen trad in theorie op toen het universum nog maar zo'n miljoenste seconde bestond.
Theoretici zouden graag weten of hun voorspelling deugt, welke fysische eigenschappen zo'n plasma heeft en hoe die overgang precies verloopt.

PAS SINDS een jaar of acht zijn er experimenten denkbaar die het quark-gluonplasma zouden kunnen herscheppen. Sinds 1986 zijn de benodigde kernbotsingen mogelijk met de SPS-versneller van het Europese laboratorium voor kern- en hoge-energiefysica (CERN) bij Genève.

Die kilometers lange ondergrondse versneller werd ooit gebouwd om alleen protonen op te jagen. Maar na een ombouwoperatie in de eerste helft van de jaren tachtig konden ook zuurstofkernen en later zwavelkernen worden versneld - kernen met 16, respectievelijk 32 kerndeeltjes.

In november was het voor het eerst ook mogelijk om de zwaarste stabiele atoomkern die in de natuur voorkomt, lood met 208 kerndeeltjes, rond te jagen. In de versneller krijgt elk proton en neutron in de kern de energie die vroeger in één proton kon worden gestopt (160 miljard elektronvolt).
Het resultaat is een atoomkern die als een pantservuist met tweehonderd keer de energie van één proton op een trefplaatje kan beuken, waar hij soms een kern raakt.

Löhner en zijn mede-experimentatoren schieten op die manier loodkernen op een trefplaat van lood en hopen daarbij nu en dan getuige te kunnen zijn van een frontale botsing tussen twee loodkernen. Volgens fysische theorieën uit het begin van de jaren tachtig zou het mogelijk moeten zijn om de kernmaterie daarbij kortstondig zo dicht op elkaar te persen, dat protonen en neutronen hun identiteit verliezen in een fase-overgang naar het plasma.

Maar zo gemakkelijk gaat dat niet. Anders dan was voorspeld, leverden de proeven met zuurstof- en zelfs met zwavelkernen (die onder meer op goudkernen werden geschoten) nog geen directe aanwijzingen voor het ontstaan van een quark-gluonplasma. De botsende kernen spatten bij voorkeur direct uit elkaar, waarna een enorme wirwar van brokstukken en nieuwe uit de meegebrachte energie opduikende deeltjes ontstonden. Een paar honderd deeltjes was geen uitzondering.

De loodkernen zijn echter zo zwaar dat de bewegingsenergie die ze vlakbij de lichtsnelheid met zich meevoeren, niet ogenblikkelijk meer kan ontsnappen. Gedurende enige tijd bestaan er helser omstandigheden dan ooit eerder in materie zijn gecreëerd.

Löhner is er dan ook vrij zeker van dat de door hem gecreëerde randvoorwaarden ook de gezochte fase-overgang moeten hebben opgeleverd tijdens de december-run. Een geaffilieerde theoriegroep publiceerde onlangs een kort artikel in een vakblad, waarin op grond van Löhners metingen de ontdekking van quarksoep al werd aangekondigd.

MAAR METEN is weten, en niet omgekeerd, vindt Löhner. Zijn groep speurt in de buurt van de trefplaat waar de SPS-versneller de loodkernen in schiet, naar lichtdeeltjes, fotonen.
Theoretisch is nauwkeurig voorspeld hoe uit het quark-gluonplasma fotonen kunnen ontsnappen. Het probleem, zegt Löhner, is die vingerafdruk te vinden te midden van een heel lichtbad van fotonen die ook door tal van andere processen kunnen ontstaan.

In die zin, zegt de Nederlands-Duitse fysicus, zijn de vergeefse experimenten sinds 1986 met zuurstof en zwavel-goud buitengewoon belangrijk geweest. Daarin konden de alternatieve mechanismen die fotonen produceren, stuk voor stuk worden bestudeerd en beschreven. En die informatie zal nu worden gebruikt om in de metingen van lood-loodbotsingen eventuele aanwijzingen voor de gezochte oersoep uit de achtergrondruis te vissen.

Löhner, behoedzaam: 'We weten nu dat onze opzet werkt, maar dit is nog zeker geen eindresultaat. We zien alleen de schaduw en niet het object zelf. Dus moeten we proberen uit te vinden of maar één object, het quark-gluonplasma, die schaduw kan werpen of dat er toch iets anders aan de hand is.'

Martijn van Calmthout

Copyright: de Volkskrant