Lange tijd werd gedacht dat alle materie uit atomen bestaat, en dat atomen de kleinst deelbare bouwstenen zijn. In de 19e eeuw ontdekten wetenschappers echter dat atomen deelbaar zijn: ze bevatten elektronen en een kern met protonen en neutronen. Toch blijken zelfs deze niet de elementaire deeltjes te zijn waarvan alles is opgebouwd. Waaruit bestaat materie precies en hoe wordt dat onderzocht?

De deeltjesfysica, het vakgebied dat onderzoek doet naar de allerkleinste deeltjes, heeft een standaardmodel ontwikkeld met alle bekende elementaire (ondeelbare) deeltjes. Het bevat bijvoorbeeld elektronen, maar geen protonen: protonen bestaan uit meerdere quarks en zijn dus geen elementaire deeltjes.

Het standaardmodel lijkt niet helemaal compleet te zijn. Het is bijvoorbeeld nog onbekend waar donkere materie uit bestaat. Jory Sonneveld, UvA assistent professor werkzaam bij het Nationale Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef): ‘We willen nameten of het standaardmodel van de elementaire deeltjes klopt, en of we bijvoorbeeld nieuwe deeltjes kunnen vinden.’ Dit doen ze door middel van experimenten met enorm geavanceerde technologieën.

Botsende deeltjes

Een voorbeeld van zo'n geavanceerde technologie is een deeltjesversneller: een apparaat dat kleine deeltjes tot extreem hoge snelheden versnelt. Sonneveld werkt aan de grootste deeltjesversneller in de wereld, de Large Hadron Collider (LHC) van CERN. Ze legt uit: ‘De LHC is een 27 kilometer lange ring die 100 meter onder de grond ligt. Hierin laten we protonen op elkaar botsen, en met detectoren kunnen we dan de vrijgekomen deeltjes meten.’ 

Een van de belangrijkste ontdekkingen in de LHC was het Higgs-boson in 2012. Sonneveld vertelt: ‘Het standaardmodel van de deeltjesfysica kon de massa van deeltjes niet verklaren. Eén theorie om dit te verklaren was het bestaan van het Higgs deeltje. Dat we nu hebben aangetoond dat dit deeltje echt bestaat, is enorm spannend.’ 

Steeds betere detectie

Sonneveld werkt aan het verbeteren van een van de detectoren van de LHC, de ALICE detector. Ze richt zich op het deel dat het dichts bij de protonenstraal zit. ‘Dat is het punt waar wij heel precies de locatie willen meten van een deeltje dat door de detector heen gaat,’ legt ze uit. Deze metingen worden uitgevoerd met vele sensoren van het materiaal silicium. Dankzij technologische vooruitgang zijn deze sensoren afgelopen jaren steeds sneller en nauwkeuriger geworden.

Bij ALICE zijn de sensoren bovendien zeer dun, omdat de elektronica direct in de sensor is geïntegreerd. Dit zorgt voor een goede resolutie van ongeveer vijf micrometer. Een nadeel is echter dat deze dunne sensoren minder goed tegen de straling kunnen die vrijkomt bij de protonenstraal. Sonneveld: ‘We willen de sensoren verbeteren, zodat ze beter bestand zijn tegen straling, en nog sneller metingen kunnen doen.’

Spannend onderzoek

Het verbeteren van de sensoren gebeurt bijvoorbeeld door de elektronica te herontwerpen. De geoptimaliseerde sensoren gaan daarna de hele wereld over om getest te worden. Sonneveld: ‘Regelmatig reist iemand van ons team naar CERN om de sensor in een teststraal te meten. Dat is heel spannend, want je hebt meestal één week om te testen en wilt geen tijd verliezen. Je hoopt dat alles snel goed werkt.’

De dunne sensoren blijken beter bestand tegen straling dan gedacht en hebben nog een voordeel: ze zijn buigbaar. Momenteel bestaat de detector uit allemaal kleine sensoren met elk een eigen kabel. Buigbare sensoren kunnen rondom de protonenstraal gebogen worden, waardoor veel langere sensoren mogelijk zijn. Dit bespaart veel materiaal, en is daarom de volgende geplande upgrade voor ALICE.

Sonneveld is enthousiast: ‘Het lijkt nu allemaal goed te werken, dus dat is echt goed nieuws. We zijn er nog niet, maar het gaat de goede kant op.’ Op de lange termijn hoopt ze dat deze nieuwe detectortechnologie veel betere metingen mogelijk maakt. ‘Ik denk dat het standaardmodel niet het laatste antwoord is, en dat we hiermee misschien wel nieuwe deeltjes kunnen detecteren.’

Onverwachte toepassingen

De sensoren van de LHC kunnen ook voor ander toepassingen nuttig zijn, bijvoorbeeld in de ruimtevaart of voor medische beeldvormingsapparatuur. Technologieën ontwikkeld bij CERN blijken vaak onverwachte nieuwe toepassingen te hebben. Zo werd bijvoorbeeld het World Wide Web bij CERN uitgevonden.

Sonneveld legt uit: ‘Dat komt doordat wij technologisch gezien niet snel zeggen “dit kan niet”. Ook als we het niet zelf gaan maken, werken we samen met bedrijven om het aan te passen aan onze wensen, zelfs als het nog niet bestaat.’

Vaak zijn deze nieuwe toepassingen echter niet vooraf te voorspellen. Sonneveld benadrukt daarom het belang van fundamenteel onderzoek voor de maatschappij. ‘Onderzoek is iets moois en belangrijks dat onze maatschappij vooruitbrengt. Maar je kan niet van tevoren zeggen wat het precies zal zijn dat ons vooruit gaat brengen.’