Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? In Reis naar de kern neemt Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Genève en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, je mee langs al deze grote vragen. Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen..

Over Reis naar de Kern

Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord. In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.

Reis naar de Kern is een podcast van BNR. Tekst en presentatie: Ivo van Vulpen. Concept: Connor Clerx. Eindredactie: Annick van der Leeuw. Montage: Gijs Friesen en Connor Clerx. Sounddesign en mixage: Gijs Friesen.

Over Ivo

Ivo van Vulpen is als deeltjesfysicus werkzaam aan de Universiteit van Amsterdam, het Nationaal Instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en hij doet onderzoek bij de deeltjesversneller (Large Hadron Collider) bij CERN in Genève. Hij is hoogleraar Wetenschapscommunicatie, in het bijzonder betreffende de natuurkunde, aan de Universiteit Leiden. In 2018 verscheen zijn eerste boek: De melodie van de natuur.

Lees ook dit artikel op BNR.nl

Transcript aflevering

Tot de jaren dertig was eigenlijk niks aan de hand. De natuurkunde was vrij overzichtelijk. Weer overzichtelijk moet ik natuurlijk zeggen. In de vorige aflevering hadden we het over de atoomrevolutie in die eerste decennia van de 20e eeuw waarin het ons eindelijk lukte om door te dringen tot de wereld van het atoom zelf, die kleinste bouwstenen van alle elementen. Tot de verbazing van wetenschappers bleken alle atomen uit dezelfde drie basisbouwstenen opgebouwd te zijn: protonen en neutronen (die samen de atoomkernen vormden) en de elektronen. Van negentig elementen terug naar drie bouwstenen dus. Heerlijk simpel en overzichtelijk!

Alles op orde dus zou je denken. Maar toen gebeurde er iets waardoor we in één klap wisten dat we nog niet op de diepste laag van de kennis waren aangekomen en dat nog een onbekende wereld verborgen lag. In deze aflevering vertel ik jullie over deze verrassing en hoe het ons door ontwikkelingen in de techniek uiteindelijk wél lukte om het fundament van de natuur te bereiken. De neutronen en protonen bleken toen opgebouwd te zijn uit nog kleinere deeltjes, we leerden zelf deeltjes te maken in het laboratorium met behulp van deeltjesversnellers en ze te bestuderen met detectoren. Alles samen noemen we dat het Standaard Model en dat is tot op de dag van vandaag het beste beeld dat we hebben van de wereld op de allerkleinste schaal. En daar zitten gekke dingen bij hoor: deeltjes die dwars door de aarde kunnen vliegen bijvoorbeeld en magische dingen als anti-materie. 

Om deze stappen te begrijpen is het handig om je voor te stellen dat de ontdekking van het atoom net zoiets is aanspoelen op een onbekend eiland, waarna je, uit nieuwsgierigheid, gaat proberen dat eiland verder in kaart te brengen. Op het eiland bevindt zich een dicht oerwoud en terwijl je er steeds dieper en dieper in probeert door te dringen, bijvoorbeeld langs een rivier weet je niet of dat bos zich nog tientallen kilometers zo uit zal strekken en of er überhaupt nog wel iets anders te vinden zal zijn dan dezelfde bomen, vruchten en dieren die je van thuis kent. Maar als er dan ineens een bootje de rivier af komt zakken of als je een dier ziet dat je nooit eerder hebt gezien dan weet je gelijk dat je niet alleen bent en dat er meer dingen verborgen zijn. Precies zo'n situatie hadden we in de deeltjesfysica.

Tijdens het onderzoek naar atoomkernen en radioactiviteit bleek gek genoeg dat er ook een bron van straling aanwezig was in een ruimte als er helemaal geen radioactieve stoffen in de buurt waren. Het idee was dat dat veroorzaakt werd door radioactieve stoffen in de aarde zelf. Best logisch en dus ‘case closed’ zou je denken, maar dan heb je net even buiten de koppigheid van de natuurkundigen gerekend. Er is er namelijk altijd eentje die het zeker wil weten en die naar de top van de Eiffeltoren gaat om te kijken of daar inderdaad minder straling is of in een luchtballon stapt om nog hoger te meten. Dat is allebei echt gebeurd! En maar goed ook, want het bleek dat de straling helemaal niet afnam hoe hoger je kwam. het werd juist sterker. De straling kwam dus niet uit de aarde, maar uit de ruimte! Blijkbaar worden we op aarde blijkbaar dus gebombardeerd door deeltjes uit het universum. Die botsen hoog in de lucht op zuurstofatomen en produceren daar een soort lawine van deeltjes waarvan sommigen lang genoeg leven om het aardoppervlak te halen. Die deeltjes waren dus de bron van die mysterieuze straling waar we naar op zoek waren. Dat onderzoek naar deze zogenaamde kosmische stralen is nog steeds een belangrijk onderzoeksgebied, maar daar gaat het nu even niet om. Mensen onderzochten om welke deeltjes het nou precies ging door de sporen van de deeltjes zichtbaar te maken, net zoals de sporen die vliegtuigen hoog in de lucht produceren, en door te kijken hoe ze reageerden als ze op andere materialen botsten. Zoveel mogelijkheden waren er niet, want we kenden immers maar drie verschillende deeltjes. Tot hun verbazing zagen ze dat het deeltjes waren die wel elektrisch geladen waren, maar geen proton waren …. en ook geen elektron. Een nieuw deeltje dus dat ongeveer tweehonderd keer zo zwaar bleek te zijn als een elektron. Het kreeg een eigen naam: het muon. Een onverwachte gast. Niet echt nodig, maar dat maakt niet uit. Het is net als gekleurde hagelslag en dure sportwagens. Niet echt nodig, maar het maakt de wereld wel een stuk leuker.

Als kosmische stralen op dunne materialen vallen, blijken er nog veel meer nieuwe deeltjes te ontstaan. Sterker nog, een hele dierentuin vol nieuwe deeltjes. Fascinerend, maar het onderzoek was erg onhandig, want je was volledig overgeleverd aan wat de ruimte je gaf. Gelukkig lukte het ons dankzij twee technieken om zelf de regie in handen te krijgen: 1) de deeltjesversneller (om zelf deeltjes te kunnen maken in deeltjesbotsingen) en 2) de deeltjesdetector om alle deeltjes zichtbaar te maken die in die botsingen werden gemaakt. Dit zijn de twee elementen die we tot op de dag van vandaag nog steeds gebruiken om de natuur op de kleinste schaal te bestuderen. Alleen steeds een stukje geavanceerder.

Eerst de deeltjesversneller. Dat we zelf deeltjes kunnen maken is een cruciale ontdekking geweest. De bekende formule van Albert Einstein E=mc2 betekent namelijk niet alleen dat je massa kan omzetten in energie (dat was de basis van de kernenergie en het branden van de zon uit de vorige aflevering), maar het werkt ook de andere kant op; als je maar genoeg energie bij elkaar brengt kan je daarmee ook zelf massa creëren: nieuwe deeltjes dus. In een deeltjesversneller geven we deeltjes, bijvoorbeeld protonen, energie door ze een klein zetje te geven. Daarna gebruiken we magneten om ze af te buigen en ze door een