Op de grens van Frankrijk en Zwitserland, ten westen van de stad Geneve is CERN gehuisvest. CERN is een afkorting voor Conseil Europeen pour la Recherche Nucléaire, letterlijk vertaald Europese Raad voor Kernonderzoek. Het is een Europese organisatie die fundamenteel onderzoek doet naar elementaire deeltjes. Met behulp van deeltjesversnellers laat men deeltjes met grote snelheid op elkaar botsen.
Wat is een deeltjesversneller?
Een deeltjesversneller doet precies wat het zegt: het versnelt deeltjes. Dit zijn geladen deeltjes waaruit een atoom bestaat, deze elementaire deeltjes vormen de bouwstenen van alle moleculen om ons heen. Atomen bestaan uit een positief geladen kern - bestaande uit positief geladen protonen en neutrale neutronen - en een negatief geladen elektronenwolk, zie Figuur 1. In principe is een atoom altijd neutraal, omdat het aantal elektronen dat om de kern heen draait, dezelfde negatieve lading heeft als de positieve lading van de kern.
Figuur 1: Schematische weergave van een atoom: de neutraal geladen neutronen vormen samen met de positief geladen protonen de atoomkern. De negatief geladen elektronenwolk bevindt zich daar omheen.
Deeltjesversnellers heb je in verschillende soorten en maten. In CERN wordt onder andere gebruik gemaakt van een versneller die deeltjes over een rechte lijn accelereert; de zogenaamde lineaire versneller. De versneller waar het echter in CERN allemaal om draait is de Large Hadron Collider, de grootste deeltjesversneller ter wereld. Dit is een cirkelvormige versneller - cyclotron genoemd - met een omtrek van 27 kilometer. De versneller bevindt zich geheel onder de grond, van 50 tot wel 175 meter diep. In Figuur 2 zie je welk gebied de deeltjesversneller ondergronds in beslag neemt. Het binnenste van de tunnel is te zien in Figuur 3.
Hoe werkt een deeltjesversneller?
De werking van een lineaire versneller verschilt van een cylindrische versneller. Wel wordt er in beide gevallen gebruik gemaakt van de elektrische kracht om de deeltjes te versnellen. De kracht die door een elektrisch veld uitgeoefend wordt op een geladen deeltje is gelijk aan
$F_{e} = Eq$
met E het elektrische veld en q de lading van het deeltje.
De lineaire versneller
De lineaire versneller maakt gebruik van cilindervormige elektrodes waarover een wisselspanning gezet wordt - zie Figuur 1.4. In Figuur 1.4 hebben de deeltjes een negatieve netto lading. In de bovenste situatie worden de deeltjes door de positieve elektrode aangetrokken en door de negatieve elektrode afgestoten. Dit zorgt ervoor dat het deeltje een netto kracht ondervindt en via de tweede wet van Newton,
$F=ma$
betekent dat dus een versnelling van de deeltjes. De deeltjes komen vervolgens de holle cilinder binnen, waar ze worden afgeschermd van het elektrische veld - de bekende kooi van Faraday! De wisselspanning in combinatie met de lengte van de cilindervormige elektrodes zorgen ervoor dat wanneer de deeltjes weer uit de holle elektrode komen, ze opnieuw een netto kracht naar rechts ondervinden.
Het cyclotron
Het cyclotron is een circulaire deeltjesversneller. In tegenstelling tot een lineaire versneller -waarbij deeltjes 1 keer de gehele versneller doorlopen - moet de richting waarin de deeltjes zich in een cyclotron bewegen ook veranderd worden, om de versneller meerdere keren te kunnen doorlopen. Cyclotrons maken hiervoor gebruik van de Lorentzkracht:
$F _{L} = q \left ( v \right \times b)$ (1.4)
met q de elektrische lading van een deeltje, v de snelheid van het deeltje en B het magnetische veld. De term v × B staat voor het uitproduct van de snelheidsvector v en het magnetisch veld B. Het resultaat is een vector die loodrecht op zowel v als B staat met als grootte v · B sin(θ)
waarbij θ de hoek tussen de snelheid (v) is en het magnetisch veld (B). Indien v loodrecht staat op B, geldt dat
FL = qvB (1.5)
De definitie van het uitproduct zegt dat de richting van de resulterende vector (hier FL) loodrecht staat op de vectoren waar die uit gevormd wordt.
