Op 25 juli raasden voor het eerst loodatomen met een elektron rond in de deeltjesversneller LHC bij CERN in Genève. Normaal worden daar atoomkernen zonder elektronen versneld. Het is een test om nieuwe experimenten mogelijk te maken.
‘We zoeken hiermee nieuwe manieren om het onderzoek bij CERN uit te breiden’, zegt de leidinggevende LHC-ingenieur Michaela Schaumann. ‘Ontdekken wat mogelijk is met de huidige versneller is de eerste stap.’
In de LHC worden deeltjes versneld tot bijna de lichtsnelheid om ze vervolgens op elkaar te botsen. Uit de enorme hoeveelheid energie die hierbij vrijkomt ontstaan nieuwe deeltjes, volgens Einsteins beroemde E=mc2 (energie is gelijk aan massa keer een constante). Dankzij de LHC-experimenten leren onderzoekers meer over de bouwstenen van de wereld om ons heen. Zo werd in 2012 het higgsdeeltje ontdekt.
Lood- en xenonkernen
Het grootste gedeelte van de tijd vliegen door de LHC protonen, de kernen van waterstofatomen Maar af en toe proberen wetenschappers wat anders. Zo worden regelmatig loodkernen versneld en op elkaar geknald. En eind vorig jaar werden succesvol xenonatoomkernen versneld en op elkaar gebotst. De botsingen van zware atoomkernen zijn anders dan die van de veel lichtere protonen. Je kunt met zware kernen bijvoorbeeld de hete brei van deeltjes vlak na de oerknal nabootsen.
Tot nu werden de elektronen altijd van de atomen afgestript zodat een naakte kern overblijft. Het is namelijk lastig om atomen mét elektronen te versnellen omdat je daarbij gemakkelijk elektronen kwijtraakt. De atomen vliegen vervolgens al snel uit de bocht en crashen in de wanden van de versneller. Dat komt omdat de elektromagnetische kracht waarmee je deeltjes op hun plaats houdt, verschilt voor atomen met en zonder elektronen.
Loodatomen hebben meer dan 80 elektronen. De onderzoekers stripten eerst bijna alle elektronen, totdat elk atoom nog maar een enkel elektron had. Deze stopten ze op 25 juli in de versneller. De onderzoekers versnelden deze loodatomen met elektron gedurende twee uur. Ze gooiden de atomen in de zogenoemde beam dump zodra ze de controle over de deeltjes kwijt begonnen te raken.
Atomen met elektronen
Loodatomen met elektronen zijn geschikt voor compleet nieuwe experimenten. Ze kunnen bijvoorbeeld gammastraling produceren, de meest energierijke elektromagnetische straling die fysici kennen. Het is verdomd lastig om die straling in het laboratorium te maken. Het ontstaat bijna uitsluitend bij bepaalde nucleaire processen in kosmische straling.
In de LHC kun je gammastraling produceren door met een laser op de versnelde loodatomen te schijnen. Laserlicht brengt de elektronen van de atomen in een zogenoemde aangeslagen toestand. Het elektron heeft dan wat extra energie. Dat zendt het weer uit in de vorm van licht. Normaal gesproken heeft dat licht niet zoveel energie, maar omdat de loodatomen met een extreem hoge snelheid rondrazen, krijgt het uitgezonden licht zoveel energie dat het toch gammastraling wordt.
‘Door die gammastraling te laten botsen met een materiaal kunnen we misschien nieuwe, nog onbekende deeltjes produceren’, zegt Juan Rojo, theoretisch deeltjesfysicus bij het onderzoeksinstituut Nikhef en de Vrije Universiteit (VU), beide in Amsterdam.
Rojo is niet betrokken bij het atoomversnellerexperiment van de LHC, maar vindt het indrukwekkend dat het gelukt is. ‘Het bewijst weer eens dat de LHC technisch een geweldige machine is. Er worden steeds weer nieuwe natuurkundige toepassingen voor gevonden’, zegt hij. ‘Het coole aan deze experimenten is dat je allerlei nieuw onderzoek kunt doen zonder dat je een enorme nieuwe versneller hoeft te bouwen.’
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: