Een deeltjesversneller in je slakom Teach article

Vertaald door Roland Van Kerschaver. Maak een deeltjesversneller met een Van de Graaff generator, een pingpongbal en een slakom om te verstaan hoe die gebruikt wordt om materie te bestuderen op de kleinste schaal.

Wetenschappers zijn altijd op jacht om de kleinste bouwstenen te vinden in het Heelal. Het atoom, waarvan men ooit dacht dat het ondeelbaar was, was het kleinste fundamenteel deeltje totdat het opgesplitst werd in elektronen, protonen en neutronen. Krachtigere deeltjesversnellers toonden aan dat protonen en neutronen zelf verder konden verdeeld worden: elk bevat drie quarks. De recentste van die ontdekkingen is een deeltje dat het Higgs boson genoemd werd en waargenomen is in 2012 met de grootste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC) in CERN.

Deeltjesversnellers, die geladen deeltjes (zoals protonen of electronen) versnellen tot dichtbij de lichtsnelheid, worden gebruikt om de materie te bestuderen op de kleinste schaal. Dit maakte het voor de wetenschappers mogelijk om de eigenschappen van elementaire deeltjes beter te verstaan, te zien hoe ze op elkaar inwerken en uiteindelijk te laten aanvoelen hoe het Heelal in elkaar zit. De theorie die best de deeltjes en hun interacties (allemaal behalve de gravitatie) beschrijft is gekend als het Standaard Model van de deeltjesfysica. Sinds het model afgewerkt werd in de zeventiger jaren, heeft het met succes ontelbare experimentele resultaten verklaard.

De zoektocht is echter nog niet voorbij. Het is geweten dat het Standaard Model slechts 4% van het Heelal beschrijft. Daarom zijn er meer experimenten en krachtigere werktuigen nodig om de overige 96%, met inbegrip van de geheimzinnige donkere materie, te verklaren. De versnellers die gebruikt worden om deze experimenten uit te voeren zijn reusachtig groot, maar je kan hun basiswerking tonen in je klaslokaal.

Het maken van een slakom versneller

Je kan een schok van statische elektriciteit ondervonden hebben door wrijving, of wellicht gezien hebben hoe een Van de Graaff generator je haar kan doen omhoog rijzen. Dit toestel wordt gebruikt om een grote metalen bol op te laden tot een hoge spanning. Het werd uitgevonden om de hoge energie te leveren die nodig is om geladen deeltjes in de eerste deeltjesversnellers voort te drijven, en hetzelfde principe wordt nog altijd gebruikt tegenwoordig bij elektrostatische deeltjesversnellers.

De meeste moderne grote versnellers gebruiken echter veranderende elektromagnetische velden: elektrische velden versnellen de deeltjes tot ongelooflijk hoge snelheden en magnetische velden controleren de bundel van deeltjes en de baan ervan. Dit proces kan gedemonstreerd worden met een kleine Van de Graaff generator, een pingpongbal met een metalen laagje bedekt en een slakom. Leerlingen kunnen zelf de versneller maken, of de leraar kan deze voor de les klaar zetten. Een video die toont hoe een slakom versneller kan gebouwd worden (volgens de onderstaande methode), en  ook een papieren beker versneller, is beschikbaar op YouTube^w1.

Benodigdheden

• Plastieken slakom (geen glas): die moet glad zijn en een kleine helling hebben – gelijkwelke bult of uitsteeksel zal de bal hinderen op zijn baan
• Een pingpong of polystyreen bal
• Geleidende verf: nikkel of grafiet (om het elektrisch geleidend laagje aan te brengen)
• Verfborstel
• Aluminium (of koper) plakband, minstens 2 cm breed
• Van de Graaff generator (of Wimshurst generator)
• Elektrische draden, banaanstekkers, crocodilklemmen
• Schaar
• Tandenstokers (om de ballen vast te houden bij het schilderen en drogen)
• Dagbladen (om oppervlakken te beschermen bij het schilderen)
• Plastieken lepels (om de ballen te manipuleren in de kom)

Werkwijze

1. Maak de pingpongbal klaar door deze te beschilderen met de geleidende verf. Als de verf nog een tijd langer moet drogen, kan je de bal enige dagen eerder beginnen te beschilderen dan de slakom klaar gemaakt wordt.
2. Snij twee stukken aluminium plakband. Elk moet ongeveer 2 cm breed zijn en lang genoeg om eenmaal rond de omtrek van de kom te gaan, rond de bodem van de kom en naar boven naar de andere omtrek.
3. In het midden van deze banden, snij je elke zijde zodanig bij dat ze smaller zijn (ongeveer 1 cm in het midden) dan de rest van de band, zoals te zien in figuur 1.

4. Plak de banden op de kom: ze moeten aangebracht worden onder een hoek van 90°, en een kruis vormen in het midden van de kom. De banden moeten eindigen aan de rand van de kom (figuur 2).

5. Snij acht korte, smalle banden (ongeveer 1 cm breed) uit een ander stuk aluminium plakband. Ze moeten lang genoeg zijn opdat een eind van de band over de rand van kom kan aangebracht worden terwijl het ander eind dicht bij het midden van de kom geplaatst wordt. Rond de uiteinden van de banden af omdat ladingen kunnen lekken aan scherpe kanten. Merk op dat de wijdere banden in stap 3 niet moeten afgerond worden.
6. Gebruik vier van de nauwe banden en kleef een band in elk van de ruimtes tussen het kruis. Ze mogen het midden niet aanraken. Het uiteinde van de banden moet over de rand van de kom lopen en verder omlaag naar de buitenkant (figuur 3).

7. Met de overblijvende vier nauwe banden van de kleefband, verbinden we al de nauwe banden op de buitenkant van de kom (figuur 4).

8. Use aluminium tape, crocodile clips and banana plugs to connect one of the narrow strips at the edge of the bowl to the earth terminal of the Van de Graaff generator and connect the cross to the high-voltage terminal (the dome) of the Van de Graaff generator (figure 5). Make sure the high-voltage and earth leads do not touch each other.Gebruik aluminium kleefband, crocodilklemmen en banaanstekkers om een van de nauwe banden te verbinden aan de rand van de kom met de aarding van de Van de Graaff generator en verbind het kruis met de hoge spanning (op de bol) van de Van de Graaff generator (figuur 5). Vergewis je ervan dat de hoge spannings- en aardleidingen elkaar niet raken.

9. Laat de bal in de kom vallen en schakel de generator aan.
10. Bekijk hoe de bal binnen de kom ronddraait. Vergeet niet de Van de Graaff generator na het experiment uit te schakelen.

Oplossen van problemen

Als de bal niet begint rond te draaien:

• Ga na of de generator aangeschakeld is.
• Geef een zacht stootje aan de kom om de beweging ingang te zetten.
• Ga na of de banden en draden op hoge spanning niet deze die geaard zijn raken.
• Probeer het met een kleinere bal.

Hoe werkt het?

De Van de Graaff generator wekt statische elektriciteit op, en dit brengt een hoge spanning (van meer dan 30 000 volt) op de metalen banden die het kruis vormen. Dit betekent dat deze metalen banden opgeladen worden (ofwel positief ofwel negatief).
De stroom die daarbij rondloopt is echter zeer klein, zodat de alles veilig is. De andere banden zijn geaard zodat ze niet geladen zijn.

Op het moment dat de bal in contact komt met een van de geladen banden, neemt de bal lading op. Omdat zowel de bal als de band nu dezelfde lading hebben, stoten ze elkaar af: de bal beweegt weg van de band. De bal rolt dan op een geaarde band, zodat de bal ontladen wordt. De bal wordt iedere keer versneld wanneer de bal een geladen band aanraakt. Tussen de banden in wordt de bal afgeremd door de wrijving met de kom.

Hoe gelijkt het op (en verschilt het van) een echte versneller?

De slakom versneller is een eenvoudig model voor het uitleggen van de werking van een echte deeltjesversneller, zoals de LHC. Alhoewel hetzelfde principe als de oorsponkelijke Van de Graaff versneller heden nog altijd gebruikt wordt, vertonen moderne versnellers enkele fundamentele verschillen.

Lading van deeltje en elektrische velden

In tegenstelling met de deeltjes in een versneller, heeft de bal in de slakom geen eigen lading – de lading ervan verandert afhankelijk van de aluminiumband waarmee het laatst in contact kwam. In de LHC van CERN, hebben de protonen en ionen elk hun eigen lading, die niet verandert. Speciaal ontworpen metalen kamers worden rond de versneller geplaatst, met wisselende negatieve en positieve lading, zodat radiogolven ontstaan die de deeltjes voortduwen in groepen.

In deze activiteit, stelt de bal een van de deeltjes voor die de wetenschappers willen versnellen en doen botsen. In een echte versneller echter gaat het over miljarden of meer van die deeltjes, die samen een bundel vormen. Om botsingen te vermijden met luchtmoleculen, beweegt de bundel in een luchtledig gepompte metalen pijp. Het monitoren van de eigenschappen van deze bundel in real time is uiterst belangrijk, bijvoorbeeld om de machine te beschermen. Daarom gebruiken wetenschappers heelwat technieken die bundel diagnostieken genoemd worden om  van ieder deeltje in de bundel de baan te bepalen.

Grootte en vorm

Deeltjesversnellers kunnen lineair zijn, waarbij de deeltjes in de bundel in rechte lijn bewegen van het ene uiteinde naar het andere, of  cirkelvormig, waarbij de deeltjes in de bundel bewegen in een lus. Het voordeel van een cirkelvormige versneller, zoals de LHC, is dat bij iedere omloop, de deeltjes een beetje meer versnellen. Dit maakt het mogelijk om een hoge energie te bereiken, alhoewel de deeltjes een beetje energie verliezen bij elke omloop omwille van een effect dat synchrotronstraling genoemd wordt. De bekomen energie van een cirkelvormige versneller wordt beperkt door zijn omvang, de sterkte van de versnellende velden en van de afbuigmagneten die de deeltjes op hun baan houden. Een typische slakom is ongeveer 30-40 cm breed, de LHC daarentegen heeft een diameter van 8,5 km. De reusachtige omvang van de LHC is een van de redenen waarom het deeltjes kan versnellen tot nagenoeg de lichtsnelheid.

In de slakom versneller, wordt de snelheid van de bal beperkt door de wrijving en door de snelheid van de overdracht van lading tussen de band en de bal. Wanneer de bal traag beweegt, blijft het langer op de banden en heeft de bal meer tijd om op te laden en te ontladen, zodat er meer versnelling mogelijk is. Wanneer de bal sneller beweegt, bevindt de bal zich minder lang op de banden en bereikt de bal eventueel een constante eindsnelheid.

Magnets

Magneten zijn essentieel voor het controleren van de deeltjes die bewegen zowel binnen de lineaire als de cirkelvormige versnellers. Bijvoorbeeld worden quadrupool en hogere orde magneten gebruikt om de deeltjes samen te knijpen en de omvang en de divergentie (hoeveel de diameter van de bundel toeneemt met de afstand) van de bundel te controleren.

In cirkelvormige versnellers, moeten de deeltjes ook bewegen in een kromme en niet in een rechte lijn, en dit wordt bereikt door zeer sterke dipoolmagneten te gebruiken. Hoe hoger de energie van de deeltjesbundels, hoe sterker de magneten moeten zijn. De hoofdmagneten van de LHC zijn supergeleidend, dat betekent dat ze elektrische stroom geleiden zonder een weerstand te hebben wanneer ze afgekoeld worden tot voldoende lage temperaturen. Deze magneten werken bij een temperatuur van 1,9 K (-271 °C), en dat wordt bekomen door 70 000 l vloeibaar helium te pompen door een gesloten circuit rondom de versneller. De slakom zelf werkt zoals de magneten, de beweging van de bal wordt beperkt en de bal wordt gedwongen te bewegen in een cirkel – gelukkig, werkt dit bij kamertemperatuur.

Deeltjesversnellers

Het versnellen van deeltjes is slecht een deel van het verhaal. Deeltjesversnellers verhogen de snelheid van deeltjes tot een hoge energie voor ze gericht worden op een vast doel (zoals een dun metalen plaatje) of te botsen door twee bundels deeltjes naar elkaar te richten. In versnellers zoals de LHC, lopen twee bundels deeltjes in tegengestelde richtingen, een in de richting van de klok en de andere in de tegengestelde richting, en er wordt gemaakt dat ze nagenoeg frontaal botsen op elkaar op bepaalde punten. Detectoren worden geplaatst rondom die punten waar de deeltjes botsen om informatie te verzamelen over de deeltjes die ontstaan bij de botsing, zoals hun snelheid, massa en lading. Met deze informatie, kunnen wetenschappers nieuwe deeltjes ontdekken of vinden hoe de deeltjes inwerken op elkaar. Zo was het dat onderzoekers in CERN het Higgs boson, een deeltje waarvan aangenomen wordt dat het massa geeft aan alle andere deeltjes in het Heelal, ontdekten.

Vragen voor de leerling

Waarom draait de bal rond in een bepaalde richting?

Of de bal ronddraait in wijzerzin of tegenwijzerzin wordt bepaald door het beginimpuls dat aan de bal gegeven wordt. Als de bal in rust start, zal het weg bewegen van de geladen band in een of andere richting afhankelijk van de exacte positie van de bal, en zo wordt het moeilijk voorspellingen te doen. Na enkele bewegingen die bepaald worden door het toeval, wordt een bepaalde richting ingeslagen en begint de bal te versnellen.

Kan je de bal in de andere richting doen bewegen? Hoe?

Neem gewoon de plastieken lepel en geeft ermee een duwtje in de tegengestelde richting

Hoe kan je maken dat de bal sneller ronddraait?

De snelheid van de bal wordt beperkt door de wrijving en door de snelheid waarmee lading overgebracht wordt tussen de band en de bal. Met een zachtere bal en kom kan de eindsnelheid veel vlugger bereikt worden, maar zal de eindsnelheid zelf niet veranderen. De vorm van de kom is belangrijk omdat de eindbaan van de bal bepaald wordt door het evenwicht tussen de zwaartekracht, de centripetale kracht en de normaalkracht.  De normaalkracht belet dat de bal door de plastieken kom valt, en omdat die kracht loodrecht staat op zijn oppervlak, zal het afhangen van de vorm van de kom.

Wat gebeurt er als je een bal zonder geleidende laag gebruikt? Waarom?

Zonder de geleidende laag, kan de bal nooit opgeladen en ook niet ontladen worden, en zo kan de bal niet versnellen.

Botsingversnellers van de volgende generatie

Deeltjesversnellers zijn complexe machines vol spitstechnologie waarvan de ontwikkeling meestal de samenwerking vereist van mensen uit verschillende landen, werkzaam in verschillende domeinen. Het duurde nagenoeg 30 jaar voor duizenden wetenschappers, ingenieurs en techniekers om de LHC te plannen en te bouwen.

Terwijl de grootste deeltjesversneller van de wereld nog verschillende decaden actief  zal zijn, zijn onderzoekers van instituten van over gans de wereld nu al hun hoofden aan het breken om een volgende generatie van botsingsversnellers te ontwerpen. De vervanger van de LHC zal waarschijnlijk in gebruik genomen worden rond 2040, zodat de meeste wetenschappers die er zullen mee werken voor het ogenblik op de schoolbanken zitten. De slakom versneller kan juist dat zetje zijn om ze in de goede richting te duwen  

Dankwoord

De inspiratie voor deze activiteit kwam van de fysici Todd Johnson (Fermilab) en Suzie Sheehy (Universiteit van Oxford) die werken in het domein van de versnelling van deeltjes.

Download

Download this article as a PDF