Mei moet wel een “vruchtbare” maand zijn. We hadden voor deze maand vier personen die verjaarden en twee in juni (kunnen in juni niet aanwezg zijn, zodus). Ze tracteerden ons waarvoor hartelijke dank: Jos, Jozef, Jacko, Roland, Usche en Tony. En verrassing:  Jacko had liefst vijf taarten meegebracht! En voor de eerste keer werden er prijzen verloot op de vergadering. Vier van de door Jeanine gekochte taarten gingen zo van de hand.

Voor de volgende vergadering staan reeds op het programma: Roel met een voordracht over wonen op Mars en Ruben met zijn vervolg op de eclips in Australië.

Het Higgsdeeltje
Tony

Volgens Democritos (ca. 460 – ca.370 v.C.) bestond alles uit kleine, ondeelbare deeltjes: atomen. Tussen de atomen bevindt zich lege ruimte. Atomen zijn voortdurend in beweging. Volgens Epicurus (ca.341 – ca.271 v.C.) kende het universum noch begin, noch einde en dit gold tevens voor atomen.

Thales van Milete (ca.624 – ca.546 v.C.) was volgens Aristoteles de eerste die het verschijnsel magnetisme wetenschappelijk trachtte te benaderen. En hij was vermoedelijk ook een van de eersten die statische elektriciteit beschreef. Belangrijk om weten is dat gedurende een zeer lange tijd elektriciteit en magnetisme beschouwd werden als twee totaal verschillende fenomenen.

Vermelden we nog dat Titus Lucretius Carus (ca.99 – ca.55 v.C.) bovendien in zijn De rerum natura , naast het atomisme, ook nog enkele gewaagde ideeën postuleerde: het universum heeft geen schepper en het is niet voor en rondom de mens gecreëerd, Nu maken we een hele sprong voorwaarts,

In 1873 publiceerde James Clerk Maxwell (1831 – 1879) vier beroemde vergelijkingen en hiermee verbond hij de elektrische – en de magnetische kracht tot één enkele: de elektromagnetische kracht. Hij introduceerde ook het begrip elektromagnetisch veld (een vectorveld: op elke plaats in het veld bezit de kracht een grootte en een zin).

Een vectorveld.

In 1897 ontdekte Thomson het elektron als elementair deeltje en hij stelde  een atoom voor alsof het een krentenbrood was: het atoom bestond uit een positieve massa, waarop zich de elektronen bevonden. Begin 20^ste eeuw volgde uit experimenten, verricht door Geiger, Marsden en Rutherford  het feit dat in een atoom een harde kern aanwezig was en dat het atoom voornamelijk uit lege ruimte bestaat (zonnestelselmodel). Hieronder staan deze twee modellen naast elkaar.

Later werd het atoom aangepast aan de kwantumtheorie (Bohr, Heisenberg, Schrödinger). Ook de kern bleek samengesteld te zijn uit protonen en neutronen, die zelf dan weer waren opgebouwd uit quarks (naam gegeven door nobelprijswinaar Murray Gell-Mann, na het lezen van “Finnegans Wake” van James Joyce: three quarks for Muster Marc).

Toch even een vergelijking om een idee te geven van de grootte van elementaire deeltjes. We nemen als afmeting voor protonen en neutronen één cm. Dan zijn elektronen en quarks kleiner dan een haarbreedte en  bedraagt de diameter van een atoom zowat 30 voetbalvelden. Een atoom bestaat dus haast volledig uit lege ruimte!

Je wil een boek schrijven en heb nodig: 26 letters, die letters juist rangschikken levert woorden op, de woorden grammaticaal juist ordenen geeft zinnen. Je kunt een boek beginnen te schrijven.

Wat heb je nodig als je het hele universum van de gewone materie wil maken?

Drie fundamentele deeltjes (elektron, up- en down quark), je rangschikt op de juiste wijze de quarks en je bekomt protonen en neutronen.

Proton en neutron.

Je voegt er elektronen bij en je hebt atomen, die volgens bepaalde regels samengevoegd moleculen opleveren. Moleculen bouwen voorwerpen zoals een steen, een roos, een levend wezen. Je hebt je universum!

Het standaardmodel van het subatomaire bestaat uit een groep van wiskundige theorieën die het gedrag van deeltjes en hun wisselwerking beschrijft. Je kunt het model samenvatten in de volgende figuur:

Drie generaties van elementaire deeltjes zijn gekend. Voor ons universum komt enkel de eerste generatie in beeld: het u- en het d-quark zijn de bestanddelen van protonen en neutronen; het lichte deeltje elektron (een lepton) vervolledigt een atoom. De bosonen (of “boodschappers”) zijn in rood-roze aangegeven . Het bekendste boson is het foton of lichtdeeltje (γ), overbrenger van de elektromagnetische wisselwerking.

Feynmandiagram: door uitwisseling van een foton stoten twee elektronen elkaar af.

En we kennen vier krachten of wisselwerkingen.

Later bleek dat de elektromagnetische – en de zwakke wisselwerking verschillende aspecten zijn van eenzelfde: de elektrozwakke wisselwerking. Ook de sterke kernkracht laat zich opnemen in het grotere geheel.

Terug naar ons standaardmodel hierboven. Bij het uitoefenen van een kracht worden er “dragers” of “boodschappers” (bosonen) uitgewisseld. Het zijn geen bouwstenen van materie.  Het Higgsdeeltje is een boson dat niet aan één van de wisselwerkingen is gekoppeld.

Het standaardmodel is echter  onvolledig : Ze zit met de gravitatie in haar maag. Die past niet in dit prentje!

Als de elektromagnetische en de zwakke wisselwerking verschillende aspecten zijn van dezelfde wisselwerking:

1. waarom is dan de boodschapper  van het elektromagnetisme massaloos (een foton) en hebben die van de zwakke wisselwerking (Z- en W-bosonen) een zo grote massa?
2. En waarom werkt de elektromagnetische wisselwerking tot op grote afstanden, de zwakke wisselwerking slechts op zéér kleine afstanden?

Bovendien is er een enorme materie/antimaterie asymmetrie. Het standaardmodel voorspelt hier een symmetrie!

Maar ook: waar halen die deeltjes hun massa vandaan? Het standaardmodel voorspelt dat alle deeltjes massaloos zijn!

En nu kwam de oplossing van Brout, Englert, Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen (drie publicaties in het najaar van 1964).

Dat zogenaamde Higgsveld (een scalair veld; vult het hele universum) heeft meerdere vaders.

Eenzelfde mechanisme voor het veld is , voor de vastestoffysica, reeds in 1962 voorgesteld door Phil Anderson.

Het was Higgs die aan het veld een deeltje koppelde.

Het bestaan van een Higgsveld en zijn deeltje is theoretisch voorspeld, alsook de minimale massa van dat deeltje.

Men wist dan ook welk energiebereik men moest halen (m =E/c²) om het te kunnen opsporen. En zo belanden we bij het CERN.

Omtrek van de Large Hadron Collider (LHC): 27 km.

Op maximale capaciteit zal de snelheid van de protonen = 99,9999991% van de lichtsnelheid zijn.

Gedurende een zéér kleine fractie van een seconde bereikt men, in een enorm klein volume,  bij een botsing tussen protonen een energie gelijk aan de energie die er was één miljardste van een seconde na de Big Bang. En vermits m = E/c² ontstaat een lawine van deeltjes.

Elk proton (rustmassa 1,6•10^-27 kg) bezit dan een energie van 7 TeV = 7 biljoen (10¹²) eV = de energie van een vliegende mug.

De energie van de bundels moet tot op 0,002% gekend zijn.

Luchtdruk binnenin is lager dan die op de atmosfeerloze maan.

Voorbeeld van deeltjesvorming na botsing van protonen

Vier detectoren, waaronder de enorm grote ATLAS, ALICE en CMS zijn gebouwd om de deeltjes, ontstaan bij de botsing van protonen op te sporen en hun kenmerken vast te stellen.

Atlas

En dan op 4 juli 2012     

De ontdekking van het Higgsdeeltje: verklaart de oorsprong van de massa van elementaire deeltjes; plaatst het standaardmodel op een steviger basis; verklaart het grote verschil tussen het boson van de elektromagnetische- en de bosonen van de zwakke wisselwerking; mogelijk is dit deeltje nodig voor een andere theorie: supersymmetrie.

Nu is er een relatie tussen de massa van het Higgsboson en de stabiliteit van het vacuum. De massa van het Higgsboson is 126 maal die van het proton.

Laat nu die massa net die waarde hebben die het vacuum, en bijgevolg het universum onstabiel zou maken! Onder  voorwaarde dan wel dat er verder geen nog onbekende deeltjes bestaan.

Marsrover Curiosity: boorsel van de Marsbodem onderzocht
Edy

Het voertuig heeft eerst met een soort blaasinstrument een stukje Marsrots schoongeblazen. Vervolgens heeft een boor twee kleine gaatjes geboord. Eerst eentje om te kijken of de boor het wel deed, daarna is de boor hele 64 mm diep gegaan. Beide gaatjes waren 16 mm in doorsnee.

Het boorsel van dat tweede gat is met een schepje in een klein laboratorium gebracht. Dat schepje is, net als de blazer en de boor, één van de instrumenten van CHIMRA (Curiosity’s Collection and Handling for In-Situ Martian Rock Analysis).

Er bevinden zich negen kokertjes in het kleine laboratorium, buisjes met reactiemateriaal: vloeistof, of gas of vaste stof die gebruikt worden om de chemische samenstelling van de Marsbodem vast te stellen. Dat laboratorium heeft de afdelingen CheMin en SAM (resp. Chemistry and Mineralogy en Sample Analysis at Mars). De bedoeling was dat er materiaal uit een van die kokertjes met het boorsel in contact gebracht zou worden als eerste bodemanalyse. En nu komt het!

Eén van die negen buisjes was lek geraakt en dus werd het binnen gebrachte Marsmateriaal als het ware verzadigd met deze controlestof. In plaats van een druppel op het boorsel te laten vallen werd het monster er in ondergedompeld. Door die verzadiging stelde men vast dat er in het boorsel perchloraten aanwezig waren (ClO₄).

Percloraten zijn energiebronnen voor bepaalde bacteriën op aarde. Ook Archaea, oerbacteriën, blijken dat perchloraat te kunnen omzetten in bruikbaar “voedsel” voor zichzelf, namelijk chloriden. Bijgevolg werd er vastgesteld dat die energiebron voor bacteriologisch leven er was en nog steeds is op Mars!

Dat één van de wetenschappers, John P. Grotzinger, bij deze analyse uit zijn dak ging, is te begrijpen als men weet dat hij ook aan die oerbacteriën op aarde heeft gewerkt, En dat daarbij werd vastgesteld dat perchloraat een energiebron  was voor de Archaea. Voorafgaand aan de officiële voorstelling van de resultaten kon hij zijn enthousiasme niet beteugelen en wekte overdreven verwachtingen op, om het licht te zeggen. De verzamelde pers dacht dat er leven op Mars was gedetecteerd!