Kleine knal met oersoep - Dirk van Delft

CERN VINDT INDIRECT BEWIJS VOOR QUARK-GLUONPLASMA

Donderdag kwamen fysici met sterke aanwijzingen dat ze een nieuwe vorm van materie hadden gemaakt. In een plasma bewogen quarks vrij rond, net als in het zeer prille heelal.

NA DE BIG BANG was er eerst de oersoep. In het zeer prille heelal, 12 à 15 miljard jaar geleden, was de temperatuur zo hoog en de energie zo samengebald dat de aanwezige quarks vrij konden rondvliegen.
Lang duurde dat niet: al na enkele microseconden was het plasma waarmee het heelal gevuld was alweer zover uitgedijd en afgekoeld dat de quarks in zakjes van twee of drie samenklonterden tot deeltjes, bijeengehouden door de eveneens in de soep aanwezige gluonen. Aldus ontstond de materie zoals we die nu kennen: protonen en neutronen die samen atoomkernen vormen, en de exotischer mesonen die ieder bestaan uit twee quarks.

Foto-onderschrift:
NA 45, een van de zeven proefopstellingen waarmee door CERN naar het quark-gluonplasma werd gezocht.

Donderdag maakte een groep fysici tijdens een conferentie in Genève bekend dat het ze naar alle waarschijnlijkheid was gelukt quarks voor even hun vrijheid te hergeven. Tijdens botsingsexperimenten in de grote deeltjesversneller van CERN was, aldus directeur Luciano Maiani, hetzelfde quark-gluonplasma in het leven geroepen zoals dat kort na de Oerknal moet hebben bestaan. Alleen onder die aanname vielen de uitkomsten van de experimenten in samenhang met elkaar te verklaren.

Het CERN-project, liefkozend `Little Bang' gedoopt, begon in 1994 en bestaat erin dat lood-ionen in het ondergrondse Super Proton Synchrotron (een grote ringvormige versneller) al rondjes draaiend worden opgezwiept tot een energie van 33 TeV (tera-elektronvolt). Daarna klapten ze op een trefplaatje van lood of goud. Tijdens de botsingen die dat oplevert worden temperaturen bereikt die minstens 100.000 keer hoger liggen dan ide 15 miljoen graden die in het centrum van de zon heerst, terwijl de energiedichtheid ongeveer twintig maal hoger ligt dan die in atoomkernen. Omstandigheden die extreem genoeg zijn om protonen en neutronen te laten smelten tot het gewenste plasma van quarks en gluonen.

Om het quark-gluonplasma als zodanig te herkennen zijn de afgelopen jaren in Genève zeven experimenten gebouwd, een internationaal samenwerkingsverband van fysici uit meer dan twintig landen, waaronder een groep uit Utrecht. Ieder van die zeven experimenten probeert een glimp van het plasma op te vangen, waarbij de te meten effecten per proefopstelling verschilden. Soms werd gezocht naar een zeldzaam verschijnsel dat verscholen ging in een zee van ruis, in andere gevallen ging het om coïncidenties van op zich vaker optredende effecten. Per experiment leverde dat aanwijzingen op die ruimte lieten voor twijfel, maar in samenhang promoveren deze brokken circumstancial evidence tot een bewijs dat - ook al ontbreekt een smoking gun - voldoende hard lijkt om ermee naar buiten te treden.

Het probleem van alle zeven experimenten is dat de detectoren het plasma van vrije quarks niet direct in beeld brengen: ze zien slechts de gewone - zij het soms zeer exotische - deeltjes die er na afkoeling uit zijn voortgekomen. De enige manier om het plasma rechtstreeks te zien is via de röntgenfotonen (lichtdeeltjes met hoge energie) die het uitzendt. Maar omdat er zoveel andere processen tijdens de klap van lood op lood spelen die dit soort fotonen tot uitkomst hebben komt dit in de praktijk neer op zoeken naar een speld in een hooiberg. Het experiment dat naar deze signatuur van het plasma op jacht was bood dan ook lang geen zekerheid.

Een steviger aanwijzing voor het bestaan van vrije quarks in het plasma bood het experiment dat op J-psi's lette. J-psi's zijn zeer zeldzame deeltjes bestaande uit een toverquark en een anti-toverquark (quarks zijn er in zes `smaken'). Omdat toverquarks relatief zwaar zijn, kunnen ze alleen kort na de botsing ontstaan, als het lood-ion nog vrijwel al zijn energie bezit. Maar als er een quark-gluonsoep aanwezig is, zo hebben theoretici berekend, drukt dat de productie van J-psi's. Andersom gezegd: als de teller deeltjes ziet die, terugredenerend, een dip in de J-psi productie verraden, is dat een aanwijzing dat er een plasma aanwezig was. En inderdaad is deze reductie experimenteel gevonden.

CERN maakte er donderdag een uitbundig mediaspektakel van. De tamtam waarmee Amerikaanse laboratoria in het verleden `ontdekkingen' wereldkundig maakten waarvan eigenlijk Genève de primeur had, heeft hier ongetwijfeld de hand in gehad. Nu het plasma vrijwel zeker gevonden is kunnen in vervolgexperimenten de precieze eigenschappen bepaald worden. dat vergt nog krachtiger botsingen, niet van zware ionen op een trefplaatje maar van twee bundels die frontaal op elkaar knallen. In de loop van dit jaar zal de Relativistic Heavy Ion Collider van het Brookhaven-laboratorium bij New York het stokje overnemen, waarna het in 2005, wanneer in Genève de Large Hadron Collider klaar is, weer de beurt is aan CERN.