Wie bevrijdt de quarks?
Die arme, kleine quarks. Direct na de oerknal dansten de bouwsteentjes van alle materie nog in alle vrijheid om elkaar heen. Maar amper was het heelal een paar miljoenste seconden oud, of het was gedaan met de pret. Alle quarks werden opgeveegd en in twee- of drietallen aan elkaar geklonken, door een deeltje dat heel toepasselijk het ‘gluon’ heet. Zo werden de quarks opgesloten in neutronen en in protonen. Daar zitten ze nu, 13,7 miljard jaar later, nog steeds. Hun gevangenisjes vormen de atomen waaruit onze wereld is opgebouwd.
Deze maand is het precies tien jaar geleden dat wetenschappers uit alle hoeken van de wereld naar het onderzoekscentrum CERN in Genève trokken, vastberaden om een aantal quarks te bevrijden. ‘Quark-gluonplasma’, wilden de natuurkundigen maken: de superhete oersoep waaruit het heelal bestond toen het nog maar enkele kilometers groot was. Het project kreeg de naam ‘Little Bang’, kleine Oerknal.
Een koud kunstje, in theorie. Het enige dat je hoeft te doen om de quarks te bevrijden, is een paar quark-gevangenisjes nemen en die in een deeltjesversneller met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar schieten. In de verzengende hitte die dat oplevert - al snel driehonderd miljoen keer zo heet dan de zon - zouden de quarks losbreken uit hun gluonenketens. Een fractie van een seconde lang dansen de quarks dan weer in vrijheid rond.
Maar de praktijk blijkt weerbarstig. Na tien jaar deeltjes schieten zijn natuurkundigen er nog steeds niet uit wat ze precies zien. “De experimenten hebben beslist een afwijkende toestand van materie gecreëerd,” stelt hoogleraar Thomas Peitzmann van de Universiteit Utrecht vast. “Of je dat wel of niet ‘quark-gluonplasma’ noemt, lijkt een kwestie van definitie. Sommigen noemen de waargenomen toestand quark-gluonplasma. Anderen, waaronder ikzelf, zijn geneigd die naam nog even te bewaren.”
Centraal probleem is dat oersoep alleen via een omweg is aan te tonen. De ‘soep’ zelf is niet groter dan de kern van een atoom, en is binnen een honderdste triljardste seconde alweer verdwenen. En alsof dat nog niet problematisch genoeg is, spuwt het experiment een vloedgolf van ontelbaar veel deeltjes uit. Daaruit moeten onderzoekers afleiden wat er precies is gebeurd.
Over één ding is iedereen het eens: de beloning voor het bevrijden van wat quarks zal aanzienlijk zijn. Quark-gluonplasma is de sleutel tot een hele trits natuurkundige fenomenen. Zo zit het spul waarschijnlijk in het binnenste van ‘neutronensterren’, dode, in elkaar geperste sterren met een extreem grote dichtheid.
Maar de hoofdprijs is misschien nog wel de nieuwe natuurkunde die de bevrijde quarks te bieden hebben. Doordat ze altijd opeengepakt zitten, is het onmogelijk afzonderlijke quarks en gluonen te bekijken of de ‘sterke kracht’ die ze bij elkaar houdt te bestuderen. En dat is een handicap: alleen al van de fundamentele natuurkundige eigenschap ‘massa’ kan 99 procent worden verklaard door de sterke kracht te bestuderen. Het meest gezochte deeltje van de planeet, het illustere Higgsboson, verklaart daarvan maar één procent.
Dat maakt het des te frustrerender dat niemand weet of het plasma al is opgewekt. Vóór de oersoep pleiten allerlei aanwijzingen. Zo raken er bij de botsing deeltjes zoek – precies zoals je mag verwachten bij échte oersoep, want die absorbeert deeltjes. Ook lijkt het systeem precies zoals voorspeld de aanmaak te bemoeilijken van een deeltje genaamd J/psi. Maar voor ‘J/psi onderdrukking’ bestaan misschien ook andere, ‘oersoeploze’ verklaringen, weet Peitzmann. Belangrijker vindt Peitzmann dat het systeem ‘gethermaliseerd’ is: quarks en gluonen maken er onderdeel uit van één systeem.
Maar dat is het goede nieuws. Het bewijs van het cruciale verschijnsel van ‘ongebondenheid’ – het vrij rondzweven van gluonen en quarks – is nog niet rond. Net als van een ander verschijnsel, het herstel van ‘chirale symmetrie’. Bij dat fenomeen wordt de massa van bepaalde deeltjes afgepeld.
Rond de experimenten is inmiddels een prestigestrijd opgelaaid tussen Europa en Amerika. In Europa bezweert CERN het plasma al jaren geleden te hebben aangetoond; in Amerika kondigde het Amerikaanse Brookhaven National Laboratories al meermalen aan quarks te hebben losgewrikt met de deeltjesversneller RHIC (Relativistic heavy ion collider). Beide instituten drukken zich behoedzaam uit. Niemand heeft het nog aangedurfd om met zoveel woorden te zeggen dat er quark-gluonplasma is bereid.
Peitzmann, die zowel betrokken is bij de Amerikaanse als de Europese experimenten, bewandelt de middenweg. Het CERN heeft beslist aanwijzingen gezien van bevrijde quarks, de Amerikanen zagen weer wat sterkere aanwijzingen – maar het échte spul is nog altijd niet onomstotelijk aangetoond, vindt de Utrechtse hoogleraar. “We hebben in Brookhaven quark-gluonplasma gemaakt. Maar alleen als de theorie klopt.”
Peitzmann vergelijkt het met het verhitten van water tot 200 graden Celsius. “Als je dat doet, dan weet je op basis van de theorie dat het water damp is geworden. Wij hebben inmiddels de temperatuur bereikt van 200 miljoen elektronvolt. Volgens de theorie moeten we daarbij een nieuwe fase van materie verwachten: quark-gluonplasma.”
Gestreden is de strijd om ’s werelds eerste kloddertje oersoep nog niet. In Genève komt momenteel de nieuwe ‘Large Hadron Collider’ op stoom, een deeltjesversneller waarmee nóg heftigere botsingen mogelijk zijn. Daarmee is Europa weer aan zet om de oerknal na te spelen.
bron: noorderlicht.vpro.nl
