Kogels fluiten door de keuken

Voor onderhoudende experimenten heb je niet per se een groot laboratorium nodig. Een basale deeltjesversneller is zo in elkaar geknutseld met een stuk hout, kogellagertjes en een handvol magneetjes.

Vragen die een mens bezig kunnen houden: hoe zou de natuurkunde ervoor staan als Murray Gell-Mann de stripboeken van Guust Flater had gelezen? Toen de Amerikaanse hoogleraar in 1964 een elementair deeltje veronderstelde, koos hij als naam het geluid van de zeemeeuwen uit Finnegans Wake van James Joyce: quark. Voor hetzelfde geld had hij het geluid van Flaters lachmeeuw gekozen, dan hadden theoretisch natuurkundigen het tegenwoordig gehad over hihihihâârs. Dat had de deeltjesfysica niet echt makkelijker gemaakt.

De quark is een van de bouwstenen uit het standaardmodel, het natuurkundige model dat verklaart hoe materie is opgebouwd. Nog even voor studiehuisslachtoffers: materie bestaat uit atomen; die zijn op hun beurt opgebouwd uit een kern van protonen en neutronen met een schil van elektronen. Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit drie quarks (“Three quarks for Muster Mark”, schrijft Joyce): twee up quarks en één down quark vormen samen een proton, twee down en een up quark een neutron.

Het standaardmodel omvat een bonte verzameling exotische subatomaire deeltjes, maar mist nog één bouwsteen, het zogeheten Higgs-Boson – de wetenschapshype van 2008. Het deeltje is nodig is om het bestaan van massa te verklaren en op papier bestaat het, maar in de praktijk is het nooit waargenomen. Dat gaat veranderen. Misschien. Deze zomer wordt bij het versnellerinstituut CERN in Geneve de Large Hadron Collider (LHC)opgeleverd, de grootse (lengte bijna 27 kilometer) en duurste (ruim drie miljard euro) deeltjesversneller ooit gebouwd. In de ondergrondse tunnel (gemiddelde 100 meter diep) van de LHC worden protonen of zware ionen door enorme elektromagneten rondgeslingerd tot ze bijna de lichtsnelheid bereiken. Als twee ionen botsen, ontstaat een wolk van wieweet-wat voor subatomaire deeltjes en natuurkundigen hopen dat ergens in die wolk ook het Higgs bosson rondvliegt*.

Een basale deeltjesversneller maak je met een stuk hout, stalen kogellagertjes en sterke magneetjes. Niet hightech, maar als je de opstelling lang genoeg maakt, kun je kogels fluitend door de keuken schieten.

Haal bij de fietsenmaker twintig kogellagertjes en ga naar de bouwmarkt voor een stuk hout of plastic waarvan een kant een beetje hol is; zoek bij plinten en timmerprofielen. Verder heb je een rolletje plakband en twaalf kubusvormige neodymiummagneten van vijf bij vijf bij vijf millimeter nodig. Te koop bij sommige Groningse cadeauwinkels.

Plak de magneten met een tussenruimte van ongeveer vijf centimeter op het profiel; hoe steviger ze vastzitten, hoe beter. Zorg dat de voor- en achterkant van de magneetjeshelemaal vrij van plakband zijn.

Leg nu tegen iedere magneet aan één kant twee stalen kogeltjes. Neem vervolgens één kogeltje en rol dat tegen de eerste magneet. De kinetische energie (bewegingsenergie) van het kogeltje wordt via de magneet en via de eerste kogeltje aan de andere kant doorgegeven aan de tweede. Die schiet er vandoor en gaat versnellen zodra hij binnen het bereik van de tweede magneet komt. Hij krijgt dus méér bewegingsenergie en komt met een hardere tik tegen de tweede magneet. Daardoor schiet het derde kogeltje met nóg meer vaart weg, enzovoort. Net zolang tot het laatste kogeltje door de kamer fluit.

Dat je magneten kunt gebruiken om dingen af te vuren, heeft het Pentagon ook ontdekt. In januari testte de Amerikaanse marine een railgun, een kanon met elektromagneten rond de loop. Door die snel achter elkaar aan en uit te zetten, kun je een raket zo versnellen, dat je hem 400 kilometer ver schiet.

Auteur: Ernst Arbouw

* Bij het schrijven van deze tekst in 2008 was het Higgs-Boson deeltje nog niet gevonden. Nu inmiddels natuurlijk wel!