Belgische natuurkundige krijgt leidinggevende functie bij CERN
Petra Van Mulders zal vanaf september de leiding opnemen over een groep van 80 wetenschappers, behorend tot het CMS-experiment. Ze zal aan het hoof staan van een team die onderzoek verricht naar b-quarks. Het zijn de op een na meest massieve deeltjes die bijdragen aan een nauwgezette beschrijving van de eigenschappen van het Higgs-boson. Het team van de natuurkundige probeert deze aan te treffen in de LHC in CERN. Uit perscommuniqés blijkt dat de experimenten in werking zullen treden in april volgend jaar. Ze zullen worden uitgevoerd bij de hoogste energieën die tot nu toe werden gehaald.
Van Mulders behaalde een master in de fysica aan de VUB. Nadien startte ze haar doctoraat aan het CMS, waarna ze de PhD-titel verkreeg aan de VUB en de UA. Ook kon ze een nieuwe methode tot stand brengen om quarks op te sporen.
Experimentele fysici van het CERN hebben met het LHCb-experiment, een van de vier grootste projecten die deel uitmaakt van de LHC, een nieuw subatomair deeltje, genaamd Z (4430), gedetecteerd.
Z(4430) is een hadron, een deeltje bestaande uit quarks, die mogelijk een aanzienlijke vooruitgang zou aanreiken in de kwantumfysica. De andere categorie, de leptonen, zijn niet opgebouwd uit quarks en zijn zelf elementaire deeltjes, bijvoorbeeld het elektron en het neutrino. De vondst bestaat uit vier quarks. In dat opzicht betreft het hier een heel bijzonder deeltje, omdat men voorheen enkel weet had van hadronen met twee of drie quarks. Daardoor zijn de partikels heel symmetrisch en stabiel opgebouwd.
Dit kan worden afgeleid uit de zogenaamde kleurlading. Men onderscheidt de kleuren rood, groen, blauw, anti-rood, anti-groen en anti-blauw. Deze zouden zich verenigen tot 'wit', waardoor men aannam dat quarks zich niet konden verwijderen van het hadron. De twee deeltjes, die samen het meson vormen, zijn een quark en een anti-quark die een kleur en zijn anti-kleur representeren. Baryonen, met drie quarks, worden benaderd als rood, groen en blauw die worden samengebracht tot 'wit'. In principe is het hadron een optelling van twee mesonen, en beantwoordt het ook aan de eisen om stabiliteit te verkrijgen. In 2007 werd Z (4430) reeds waargenomen door het Belle-team, een samenwerking van 400 fysici, met een deeltjesversneller van het Japanse KEK. Deze doorbraak werd al snel verworpen door de natuurkundigen omdat de bevindingen niet konden worden onderschreven door de theorieën in de kwantumfysica. Enkele jaren nadien werd de ontdekking bekrachtigd door een ander wereldwijd onderzoeksteam, BaBar. Zij opperden niet dat het deeltje bestond, maar ze konden de verkregen resultaten ook niet in de wind slaan. Door de onderzoekers van het CERN wordt deze waarneming nu definitief als een doorbraak aanzien. Tienduizenden mesonen werden gadegeslagen terwijl ze vervielen tot andere deeltjes door biljoenen botsingen in de LHC.
Alhoewel de detectie van Z (4430) beantwoordt aan de statistische voorwaarde voor het bestaan ervan, moet nog verder onderzoek verricht worden om de werkelijke samenstelling te achterhalen. De fysici houden ook de mogelijkheid open dat de tetraquark ( een deeltje met vier quarks) gevormd is door twee verenigde mesonen (twee quarks). Laatstgenoemde verklaring lijkt weerlegd te worden door de massa van het deeltje. Ook bleek dat deze variant van de tetraquark zo'n tien keer sneller vervalt dan eerdere hypothetische types hiervan.
De bevindingen kunnen ook een weerslag hebben op de theorie van de neutronensterren. In deze meest zware en dichte sterren wordt de materie voortdurend samengedrukt, waardoor ze binnenin enkel neutronen herbergen. Neutronen zijn voortgevloeid uit drie quarks, en zijn dus baryonen. Fysici denken dat ze fungeren als middel voor de deeltjesinteracties in deze extreem zware sterren. Indien de tetraquarks werkelijk bestaan, houdt dit een potentieel bewijs in voor de theorie van de neutronensterren. Dan zouden die deeltjes zich in extreme omstandigheden kunnen vormen. Ook worden de pistes voor mogelijke pentaquarks en hexaquarks nog niet afgesloten. Vervolgens hopen de natuurkundigen nog op het bestaan van losse quarks die zich voortbewegen door de neutronensterren zonder enig onderling verband.
Het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics claimde halverwege maart de experimentele bevestiging van de inflatietheorie. Deze theorie, beschreven door de kosmologen Alan Guth en Andrei Linde, stelt dat het heelal een fractie van een seconde na zijn ontstaan enorm uitzette. Met behulp van de Bicep2-telescoop op de Zuidpool hebben onderzoekers voor het eerst zwaartekrachtgolven waargenomen. Dit was voorheen de enige bewering, beschreven in de algemene relativiteitstheorie, die nog niet werd bekrachtigd door experimenten.
Bij de oerknal, 13,7 jaar geleden, bevatte het universum enkel een hete verzameling van allerlei elementaire deeltjes, die volgens dezelfde massa hadden als ons huidig heelal. In de oersoep werden voortdurend fotonen afgegeven door elementaire deeltjes en vervolgens weer opgenomen door andere partikels. 380.000 jaar na de big bang werden de allereerste atoomkernen gevormd, die zich vervolgens voltrokken tot atomen. De lichtdeeltjes werden toen voor de laatste maal vrijgegeven en baanden zich een weg door het universum, wat bekend staat als de kosmische achtergrondstraling.
De wetenschappers kunnen nu de inflatietheorie onderschrijven door een zogenaamde 'polarisatie' in de kosmische achtergrondstraling te meten, de manier waarop ze gedraaid is. Deze werd hoogstwaarschijnlijk sterk beïnvloed door de zwaartekrachtgolven. Men zou nu dat type golven hebben gedetecteerd die voortkomen uit de inflatietheorie. Toen de achtergrondstraling het levenslicht zag, moest dus een sterke zwaartekrachtgolf deze een bepaalde richting opgelegd hebben.
Er wordt nu al gespeculeerd over een eventuele Nobelprijs. Eerst moet er zich wel nog nieuw bewijs aandienen, opdat de bevindingen niet meer betwist zouden kunnen worden door andere onderzoekers. In dat geval zouden ook een aantal alternatieve hypotheses over de herkomst en de evolutie van het heelal weelegd worden.
Alhoewel de metingen werden verworven met een hele grote zekerheid, kunnen de wetenschappers maar laten optekenen met 2,2 sigma dat het hier geen niet-kosmologische oorzaak van de waarnemingen betreft. Hierdoor blijven andere wetenschappers op hun honger zitten, doordat dit nog altijd niet de bepaalde normen evenaart. Er werd immers al eerder polarisatie van kosmische achtergrondstraling gedetecteerd, maar later bleek het niet om gravitatiegolven te gaan.
Nieuw theoretisch model claimt een vierde smaak bij neutrino's
Theoretische fysici, werkzaam aan de universiteit van Freiburg, claimen de voorspelling van een vierde soort neutrino. Tot nu toe wisten wetenschappers van slechts drie smaken: muon-, tau- en elektron-neutrino's.
De Nederlandse fysicus Jochum van der Bij en zijn collega's van de universiteit van Freiburg konden het standaardmodel corrigeren met het Higgs-boson. Laatstgenoemd deeltje zou over een relatief lage massa beschikken, waardoor het geen efficiënt deel is van het standaardmodel. Indien een vierde neutrino zijn intrede doet tot het standaardmodel, zou dat probleem echter verholpen zijn. Ook zou het een meerwaarde zijn die naar alle waarschijnlijkheid niet aan de basis zou liggen van een ineenstorting van de wiskundige overkoepeling.
Er worden wel nog veel vraagtekens gezet bij de hypothese van de natuurkundigen. Zo merkte Sybrand de Jong van Radboud Universiteit op dat een dergelijke kleine afwijking nog niet de aanzet moet geven tot de introductie van een nieuw deeltje.
In een eerder artikel was er al berichtgeving over een nieuw hypothetisch neutrino, het 'steriel neutrino', dat de mogelijkheid herbergt om de donkere materie uit de doeken te doen.
Experimentele fysici zijn tot de conclusie gekomen dat de invloed van materie op neutrino's niet zo miniem is als ze aanvankelijk beweerden. Door middel van de Super-Kamiokande-detector in Japan hebben de wetenschappers waargenomen hoe 's nachts neutrino-oscillaties optreden wanneer de deeltjes zich voortbewegen door de aarde. Neutrino's hebben 3 soorten, in natuurkundig vakjargon smaken genoemd: elektron-, muon- en tau-neutrino's. Indien de partikels onderling veranderen van de ene soort naar de andere, heet dit neutrino-oscillatie.
Nu opperen de fysici dat materie een belangrijke rol zou spelen bij die oscillaties. In de zon worden er een gigantisch aantal van die elementaire deeltjes gevormd die zich wijzigen tot andere smaken in het hete plasma. Enkele transformeren zich dan terug tijdens hun baan door de aarde. 's Nachts werden altijd andere neutrino's geregistreerd dan overdag; dit valt te wijten aan de ligging van de detector ten opzichte van de zon (de partikels moesten 's nachts nog het binnenste van de aarde doorkruisen alvorens ze de hoogtechnologische machine bereikten).
De bevindingen kunnen ondermeer hun bijdrage leveren in het onderzoek naar de omvang van de invloed die materie op de neutrino's uitoefent. Ook kunnen ze worden benut bij iets dat hieruit volgt, namelijk waarom er meer materie dan antimaterie in het universum voorkomt.
Nieuw deeltje mogelijk aan de basis van donkere materie
Amerikaanse en Nederlandse onderzoekers dichten het bestaan van de donkere materie toe aan een nieuw deeltje, het zogenaamde steriel neutrino. Een Leidse astronoom nam röntgenstraling waar van het sterrenstelsel Andromeda, die, indien het licht zich voortplant met een bepaalde frequentie, er een kleine piek gevormd wordt. De onderzoekers analyseren de frequentie van de piek en kunnen derhalve bepalen van welke soort atomen de straling afkomstig is. Deze methode bleek nu niet van toepassing, aangezien de verkregen informatie niet strookt met een bekend partikel. Hieruit konden de sterrenkundigen opmaken dat het waarschijnlijk zou gaan om een nog niet erkend neutrino die uiteenvalt in andere deeltjes (een proces waarbij röntgenstraling vrijkomt). Het waargenomen neutrino behoort tot de categorie van de steriele neutrino's, hierbij wordt er in de naamgeving verwezen naar de eigenschap van het deeltje om geen interactie aan te gaan met andere van deze soort. Uit zijn theoretische voorspelling in 1994 volgde dat het steriele neutrino zijn oorsprong vindt bij kernverval. Doordat het deeltje over een massa beschikt, zou het in staat zijn om aan de basis van de donkere materie te liggen. De geopperde hypothese moet nog bekrachtigd worden door verder onderzoek.
Een wiskundige, afkomstig uit Kazachstan, oppert de ontwarring van de Navier-Stokesvergelijkingen, één van de befaamde Millenniumproblemen. Rond de eeuwwisseling werd er door het Clay Mathematics Institute een geldsom aan de problemen verbonden van 1 miljoen dollar. Mukhtarbay Otelbayev, werkzaam aan de universiteit van Astana, publiceerde zijn bevindingen in het Russisch, wat het voor andere fysici en mathematici erg moeilijk maakt om zijn werk te toetsen.
De Navier-Stokesvergelijkingen dichten een wiskundige betekenis toe aan het gedrag van stromingen. Zo staat het bijvoorbeeld in voor de theoretisch fysische beschrijving van de stroming van water of de luchtverplaatsing in een bepaald gebied. De theorie wordt toegeschreven aan de Fransman Claude-Louis Navier en de Britse George Stokes. Zonder enig onderling samenwerkingsverband stelden zij in de 19e eeuw deze vergelijkingen op om onder andere de stroomsnelheid en de massadichtheid van een vloeistof in beweging af te leiden.
Het raadsel dat zich aandiende, had echter geen betrekking op de correctheid van de opvattingen. De Kazachstaanse wiskundige bepaalde hoe dat ingenieurs deze moesten oplossen. De vergelijkingen steunen op een welbepaalde veronderstelling, namelijk dat ze in het fysisch vakjargon 'glad' zijn. Dit betekent dat de stroomsnelheid van gassen en vloeistoffen, bijvoorbeeld deinend water, geleidelijk vermeerdert en afneemt. Zo mag de snelheid waar dit fluïdum zich mee voortbeweegt rustig fluctueren, en dus niet plotseling aanzienlijk toenemen. De veronderstelling die Otelbayev waarschijnlijk mathematisch staafde, werd reeds gehanteerd door ingenieurs om deze stromingen te beschrijven.
Het is nog niet zeker dat het Clay Mathematics Institute het prijzengeld dat vasthangt aan het Millenniumprobleem wel zal toekennen aan Otelbayev. Er zijn immers enkele condities om het te ontvangen: een voorwaarde is dat het werk minimaal twee jaar niet in twijfel wordt getrokken. Maar de publicatie van de mathematicus is echter opgesteld in het Russisch, aangezien hij geen Engels spreekt. Zijn artikel wordt momenteel vertaald naar het Engels door andere wetenschappers.
Er werden in het jaar 2000 zeven vraagstukken in kaart gebracht en een geldsom ter beschikking gesteld door het Clay Mathematics Institute. Eén daarvan werd tot nu toe opgelost door Grigori Perelman, ruim tien jaar geleden.
Universum was 15 miljoen jaar na de oerknal warm genoeg voor leven
Het universmum zou 15 miljoen jaar na de oerknal een gunstige temperatuur gehad hebben om leven te herbergen. Dit stelt sterrenkundige Abraham Loeb van de Harvard University. Hierdoor zou leven zich 10 miljard jaar vroeger gevormd hebben.
Het toenmalige universum bestond voor een groot deel uit superheet plasma. Dit gas koelde af en lag vervolgens aan de basis van sterren en sterrenstelsels. Uit Loeb zijn berekeningen volgt dat het heelal 15 miljoen jaar na de oerknal warm genoeg was om leven de kans te geven om zich te vormen. De geschikte temperatuur zou de mogelijkheden geboden hebben voor stromend water, de voornaamste voorwaarde van leven. Dit kan enkele miljoenen jaren geduurd hebben, lang genoeg om het proces van de vorming van eencelligen te voltrekken.
Het is echter nog onbekend of planeten en de moleculen waaruit het leven is opgebouwd wel zo snel tot stand konden komen. Aanvankelijk produceerde het warme plasma enkel helium-en waterstofatomen. Zwaardere atomen zien het levenslicht in de kern van sterren. Volgens de huidige aannames gebeurde dit pas honderden miljoenen jaren na de oerknal.
Maar Loeb beweert dat onze hypotheses over de verdeling van materie onvolledig zijn. Indien bepaalde componenten van het heelal een hogere dichtheid hadden, vonden sterren en planeten eerder hun oorsprong. Dan zouden de hoge temperatuur en de hoge dichtheid potentieel leven de kans geven om zich te huisvesten.
Nog een factor voor het ontstaan van leven is de tijd die de moleculen moeten krijgen om uiteindelijk organismen te bekomen. Dat oppert Jack O'Malley-James, werkzaam aan de universiteit van St. Andrews in Schotland. De eerste sterren waren waarschijnlijk enorm massieve hemellichamen met een beperkte levensduur. "Die systemen moeten wel heel kalm en stabiel zijn geweest om eventuele eerste levensvormen de kans te geven zich te vestigen", aldus de astrobioloog.
François Englert en Peter Higgs hebben dinsdag de Nobelprijs voor de Fysica ontvangen in de Zweedse hoofdstad Stockholm. De theoretische fysici voorspelden het bestaan van het Higgs-veld, waardoor veel elementaire deeltjes massa krijgen. Ook was er een Belgische vertegenwoordiging aanwezig met aan het hoof Philippe Courard, de staatssecretaris voor Wetenschapsbeleid. De recor van de ULB, Didier Verviers, woonde evenals de plechtigheid in de Concert Hall in Stockholm bij. Premier Elio Di Rupo had reeds aangekondigd aanwezig te zijn, maar moest onverwacht naar de herdenking van de voormalige Zuid-Afrikaanse president Nelson Mandela.
Aan de winnaars werd onder andere een geldsom van 8 miljoen Zweedse kronen (920.000) toegekend. De Nobelprijzen werden uitgereikt door de Zweedse koning Carl Gustaf. Na het gebeuren werden de laureaten, hun familieleden en tal van hoogwaardigheidsbekleders begeleid naar het stadhuis van Stockholm, waar ze aan tafel schoven voor het banket. Aan de plechtigheid ging ook al een verplichte Nobellezing vooraf. (de winnaars moesten er spreken over hun verdienste die ze leverden)
Neutrino's van buiten ons zonnestelsel gedetecteerd
IceCube, een detector onder het ijs op Antartica, heeft voor het eerst neutrino's waargenomen die vrijgegeven zijn door een object buiten ons zonnestelsel. Meer bepaald werden 28 neutrino's gadegeslagen, waarvan 2 deeltjes over een energie beschikken van meer dan 1000 tera-elektronvolt. De astronomen doopten ze Ernie en Bert. Verder onderschepten de meetinstrumenten nog 26 deeltjes met een energetische waarde die de 30 TeV overstijgt. In de deeltjesversneller LHC bij het CERN hebben de versnelde protonen een energie van circa 7 TeV.
1560 gevoelige sensoren, vastgehecht aan kabels die een netwerk vormen over een kubieke kilometer ondergronds, moeten de neutrino's waarnemen. De deeltjes vormen vrijwel nooit een wisselwerking met andere deeltjes. Hierdoor bevatten ze veel informatie over hun bron, zoals supernova's, pulsars... De sterrenkundigen kunnen zo veel achterhalen over dergelijke objecten die talloze lichtjaren van ons verwijderd zijn. Indien een neutrino dan toch een interactie sluit, ontstaat een kleine lichtflits, waarna er een verval optreedt in andere deeltjes. Die zogeheten Tsjerenkovstraling (ontstaan doordat tijdens de wisselwerking een muon vrijkomt) proberen de sensoren langs kabels in gaten van 2,5 kilometer te registreren.
Verscheidene Belgen hebben hun steentje bijgedragen aan het project, zoals onderzoeksleider Francis Halzen. Hij staat aan de wieg van het idee van een detector op Antartica. Hij is nu werkzaam aan de Amerikaanse University of Wisconsin en kwam dertig jaar geleden op de proppen met het vernieuwende concept. Ook wetenschappers van de Vrije Universiteit Brussel en de Universiteit Gent hielpen mee aan de uitvoering.
