door : Roosje Van den Driessche

Van 20 t.e.m. 22 februari 2024 organiseerde Jean Pierre Grootaerd (UGent – Dep. Fysica en sterrenkunde) een geleid bezoek aan het CERN. Het was een gevarieerd gezelschap van leraren wetenschappen en medewerkers van diverse sterrenwachten. VeLeWe was vertegenwoordigd door Filip Buyse, Dirk Saeys en Roosje Van den Driessche.

Reeds tijdens de vlucht naar Genève wilden we experimenteren. We konden niet nalaten om via de Phyphox-app grafieken te bekijken van de drukvariaties en de versnellingen. Wat later hielden we onze lege PET-flesjes bij en bekeken we hoe ze bij de daling ingedrukt werden, het ene langzaam, het andere vrij abrupt. Al het mogelijke lesmateriaal, werd natuurlijk uitgebreid op beeld vastgelegd.

Het Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire werd in 1953 opgericht door 12 Europese lidstaten; intussen wordt CERN door 23 landen gerund, waaronder ook enkele niet-Europese. Ongeveer 2500 vaste werknemers staan in voor het ontwerp, de bouw en exploitatie van de onderzoeksinfrastructuur en dragen bij aan de voorbereiding, uitvoeringen en analyse van de experimenten. De verzamelde data worden gedeeld met meer dan 12 000 wetenschappers uit instituten in meer dan 70 landen. Voor het laatste nieuws uit CERN, zie https://home.cern/  

Ons eerste bezoek in CERN was de gloednieuwe (geopend in oktober 2023) ‘science-gateway’ in Meyrin: een uitgestrekt bezoekerscentrum, waarvoor speciaal een tramhalte is voorzien. Het omvat exposities, activiteiten voor bezoekers, auditoria voor wetenschapsshows en films, zelfs een paar laboklassen voor groepslessen, allemaal verbonden met elkaar via loopbruggen. Alles is vrij te bezoeken; een geleid bezoek met een gids of een labosessie zijn vooraf te reserveren.  https://sciencegateway.cern/  

Bron foto’s: https://www.geneve.com/en/see-do/history-culture/museums/science-nature-and-specialized-museums/cern-the-science-gateway  

CERN’s eerste deeltjesversnellers werd in 1957 in gebruik genomen en werkte tot 1990. Het is onvoorstelbaar wat men reeds kon bereiken met de technieken en materialen van 70 jaar geleden. (voor de hele geschiedenis, zie: http://public-archive.web.cern.ch/en/About/History57-en.html ). 

De volgende dag kregen we een heel druk en interessant programma af te werken. 
We startten met een lezing door Guillaume Durey over de programma’s voor leerlingen. 
Alle info is verzameld op deze site: https://solvay-education-programme.web.cern.ch  

Het deel ‘DIY experiments videos’ omvat korte instuctiefilmpjes (2 min.) van eenvoudige experimenten, zoals bv. een spectroscoop maken van papier, resonantie ontdekken met papieren ringen,… Uitgebreider zijn de online course video’s over wetenschappelijke topics; die duren maximum een half uur en er horen ook evaluatievragen bij. Leerlingen die ouder zijn dan 16 jaar en geslaagd zijn voor drie online courses, kunnen een certificaat bekomen en een aanvraag doen voor de CERN-Solvay student camps. Tijdens dit kamp in CERN krijgen leerlingen de kans om experimenten uit te voeren, onderzoeksfaciliteiten op CERN te bezoeken, lezingen bij te wonen en aan sociale activiteiten deel te nemen,… 30 studenten van over de hele wereld worden uitgekozen en zullen tijdens het kamp in kleine groepjes samenwerken. De info over studentenkampen komt op https://solvay-education-programme.web.cern.ch/student-camps (nog geen voorzien voor 2025)

Een enorme hoeveelheid lesmateriaal vind je bij  https://educational-resources.web.cern.ch/ ; hier kies je het materiaal volgens type activiteit of volgens leeftijdsgroep. 

Enkele voorbeelden:

• bij de leeftijdsgroep 16+ staat alle info voor het 3D printen van een lineaire deeltjesversneller aangestuurd door Arduino: https://scoollab.web.cern.ch/linac3D 
• bij alle leeftijden staan bouwplannen voor LEGO-modellen van enkele detectoren  https://build-your-own-particle-detector.org/models/alice-lego-model/ 
• ook bij de leeftijdsgroep 16+ vind je de nodige info voor het maken van een goedkope deeltjesdetector met Si-fotodiodes (geschikt voor alfa deeltjes en elektronen met een energie van 33 keV tot 8 MeV) https://scoollab.web.cern.ch/diy-particle-detector 

CERN biedt middelbare scholieren van over de hele wereld de kans om een wetenschappelijk experiment uit te denken en uit te voeren in CERN zelf of in Hamburg aan de Duitse Electron Synchrotron DESY. De selectie van de deelnemers gebeurt via de wedstrijd Beamline for Schools (BL4S). Teams van 5 tot 9 leerlingen vanaf 16 jaar, begeleid door 1 of 2 volwassen, bedenken een experiment en dienen een voorstel in. Drie winnende teams mogen effectief naar CERN of DESY om hun experiment uit te voeren. Voorbeelden en info op: https://beamline-for-schools.web.cern.ch/

In de namiddag volgde één van de hoogtepunten voor ons allemaal: een bezoek aan ALICE (A Large Ion Collider Experiment), één van de detectoren van de LHC (Large Hadron Collider), gelegen nabij St Genis-Pouilly in Frankrijk. https://www.home.cern/science/experiments/alice . 

De LHC – ’s werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller – ligt 100 m onder de grond en loopt in een cirkelvormige tunnel met een omtrek van 27 km, deels in Frankrijk en deels in Zwitserland. Deeltjes versnellen eerst in enkele voorversnellers en worden in tegenovergestelde richtingen geïnjecteerd in een vacuümbuis in de LHC. Deeltjesbundels die snelheden halen tot 99,99..% van de lichtsnelheid botsen op vier plaatsen met elkaar. Bij de botsingsplaatsen staan complexe detectoren, elk met hun eigen doelstellingen: ATLAS, ALICE, CMS en LHCb. Hieronder een overzicht van de verschillende versnellers en detectoren. 

Bron afbeelding: https://www.home.cern/science/accelerators/accelerator-complex

De deeltjesdetectoren bestaan uit lagen subdetectoren, elk ontworpen om naar bepaalde eigenschappen of specifieke soorten deeltjes te zoeken. Volgapparatuur onthult het pad van een deeltje; calorimeters stoppen, absorberen en meten de energie van een deeltje; en deeltjes-identificatiedetectoren gebruiken een reeks technieken om de identiteit van een deeltje vast te stellen. Door elektromagneten rond de deeltjesdetectoren te plaatsen, worden de paden van de meeste deeltjes gekromd. De kromming van het pad geeft info over het moment van het deeltje. 

Een calorimeter bestaat meestal uit lagen van verschillende materialen en meet de energie die een deeltje verliest als het erdoorheen gaat. De meeste deeltjes die voortkomen uit een botsing worden volledig gestopt in de calorimeter maar muonen bewegen er gewoon doorheen. Muondetectoren staan daarom aan de buitenkant.

Om alle deeltjes te identificeren, gebruikt ALICE een set van 18 detectoren die informatie geven over de massa, de snelheid en het elektrische teken van de deeltjes; gedetailleerde info daarover vind je hier: https://en.wikipedia.org/wiki/ALICE_experiment#The_ALICE_detectors en https://alice.cern/ 

ALICE is ontworpen voor het bestuderen van sterk op elkaar inwerkende materie bij extreme energieën, waarbij zich een fase vormt die quark-gluonplasma genoemd wordt. In gewone omstandigheden lijken quarks en gluonen steeds aan elkaar gebonden en opgesloten in samengestelde deeltjes zoals neutronen en protonen. Bij bepaalde experimenten in de LHC worden omstandigheden nagebootst die vergelijkbaar zijn met die vlak na de oerknal door botsingen tussen loodionen. Onder deze extreme omstandigheden worden quarks bevrijd van hun bindingen met de gluonen. Dit quark-gluonplasma wordt bestudeerd terwijl het uitzet en afkoelt en zo geleidelijk de materiedeeltjes vormt waaruit ons universum is opgebouwd.

Het principe van ALICE wordt uiteengezet in dit filmpje: 

Omdat ALICE stil lag voor onderhoud, konden we die van héél dichtbij bezoeken, meer dan 50 m ondergronds. Voor we de lift in konden, moesten we één na één door een sluis met cameratoezicht.

Bovengronds ontdekten we de gedetailleerde bouw van de detectoren in een tentoonstelling met schaalmodellen en alweer een indrukwekkende videoprojectie.

De laatste dag kregen we een rondleiding in het datacenter en volgde er alweer een uniek hoogtepunt: een bezoek aan ELENA  ‘the antimatter factory’. Daarna werd ons het programma voor leerkrachten uitgelegd door Dr. Jeff Wiener en als afsluiter bezochten we nog een wetenschapsshow in de science-gateway.

Het datacentrum lijkt wel een supermarkt met opslagkasten. De overvloed aan data uit miljoenen events per seconde wordt sterk beperkt via een reeks intelligente filters. Alleen mogelijk interessante data wordt bewaard. Toch rest nog per seconde ongeveer 320 Mb aan data om te bewaren. Data wordt continu de wereld rond gestuurd via een speciaal daarvoor ontwikkeld netwerk dat ongeveer 170 rekencentra in meer dan 40 landen verbindt: het WorldWide LHC-Computing Grid, zie: https://home.cern/science/computing/grid ; en de actuele gegevensoverdracht is te zien in deze link: https://monit-grafana-open.cern.ch/d/000000884/it-overview?orgId=16 

Even terug in de tijd: links een 1156 bit magnetisch geheugen van een CDC 6600 supercomputer uit 1965; rechts een Magnetische band van 140 Mb gebruikt van 1960 tot 1980.

Hieronder een bovenaanzicht van ELENA (Extra Low Energy Antiproton). Een protonenbundel uit de Proton Synchrotron wordt afgevuurd op een blok metaal, waardoor bij deze botsing heel wat antiprotonen ontstaan. Deze moeten vertraagd worden om ze te kunnen ‘vangen’ zodat de antimaterie kan bestudeerd worden. Zo werd bv. de massa van een anti-proton bepaald en getest welk effect zwaartekracht heeft op antimaterie.

Dit is de zogenaamde ‘antimatter-trap’, waarin anti-protonen gevangen worden omdat ze tussen elektroden met wisselende polariteit heen en weer worden gedwongen. 

Voor wie verder op de hoogte wil blijven: CERN publiceert om de paar maand een ‘CERN Courrier’, zowel in het Frans als in het Engels; de hele collectie is te vinden op deze site: https://cds.cern.ch/collection/CERN%20Courier%20Issues?ln=en Wil je een e-mail-alert ontvangen bij een nieuwe uitgave, vul dan je mailadres in via: https://comms.iop.org/k/iop/cerncourier 

Uiteraard bestaat er ook een Youtube kanaal: Youtube.com/CERN