Wetenschap Superlaser

Nieuwe superlaser moet zelfs het vacuüm aan gort schieten

Als alles goed gaat, heeft Europa binnenkort de krachtigste laser ter wereld, met een vermogen van zo’n miljoen kerncentrales. Wat kun je daar eigenlijk mee?

Onderzoekers werken aan een onderdeel van het Extreme Light Infrastructure-project. Beeld Ekspla

In Roemenië bouwt men aan een wereldrecord. Foto’s tonen onderzoekers  stofkapjes voor, labjassen aan en haarnetjes op – in een lange, fabriekachtige ruimte vol lenzen, kristallen en spiegels. Daar leggen ze de laatste hand aan een bijzondere krachtpatser: een laser die schijnt met biljoenbiljoen keer de intensiteit van het zonlicht op aarde en al die kracht samenperst in een piepklein beeldpunt met de diameter van een bacterie.

Welkom in de bizarre wereld van het Extreme Light Infrastructure-project, de poging van Europese fysici om het wereldrecord laserkracht naar Europa te halen. In april gaat hier een apparaat aan dat gedurende korte tijd de magische grens van 10 petawatt vermogen kan bereiken, grofweg evenveel als een miljoen kerncentrales samen opwekken. ‘Voor zover ik weet, is dat een wereldrecord’, zegt Kazuo Tanaka, wetenschappelijk hoofd van het instituut in Roemenië.

Leuk voor de boeken, natuurlijk, maar records zijn er te over – van wedstrijdjes worstenbroodjes eten tot ‘wie het langst een basketbal op een tandenborstel in zijn mond kan laten draaien’ (record: 64,03 seconde). De zoektocht naar de sterkste laser ter wereld is echter veel meer dan dat.

Donkere materie

‘Met deze laser stap je een heel nieuw wetenschapsgebied binnen’, zegt Tanaka. Wetenschappers willen de laser onder meer inzetten bij de zoektocht naar donkere materie. Niemand heeft het ooit gezien, maar indirect kunnen natuurkundigen wel berekenen dat dat raadselachtige spul moet bestaan. Sterrenstelsels draaien bijvoorbeeld zo snel dat sterren eigenlijk uit het stelsel zouden moeten vliegen, als de bakjes van een zweefmolen waarvan de kabels het begeven. Alleen wanneer die kabels sterker zijn – bijvoorbeeld door de extra aantrekkingskracht van onzichtbare materie – kun je verklaren waarom de sterren op hun plaats blijven.

Fysici hebben bepaald dat zo’n 85 procent van alle materie in het heelal uit dat raadselachtige, onzichtbare goedje bestaat. Vanaf 2020-2021 wil Tanaka met zijn laser een antwoord vinden op de vraag wat die donkere materie precies ís. Daarom is hij van plan op het vacuüm te gaan schieten, een plek waar per definitie geen zichtbare deeltjes voorkomen. ‘We hopen dat de laserstraal dan tóch op iets botst. Dat zou een donker materiedeeltje kunnen zijn.’

Beeld de Volkskrant infographics

Plasma

Het zou een grote verbetering betekenen van ons begrip van de fundamentele wetten die de werkelijkheid aan elkaar plakken. En de nieuwe laser kan op meer manieren van nut zijn. Zo kan hij op termijn deeltjesversnellers overbodig maken, stelt Tanaka. Schiet met de laser op iets, het maakt niet eens uit wat precies, en je knalt het niet alleen kapot, maar maakt het tot plasma, de minder bekende vierde ‘fase’ waarin iets kan voorkomen (naast ‘vast’, ‘vloeibaar’ en ‘gas’). 

In zo’n plasma zijn de negatief geladen elektronen en positief geladen ionen van elkaar gescheiden. De laserbundel geeft de veel lichtere elektronen een flinke zet, waardoor ze nog verder van de ionen vliegen. Daardoor ontstaat een sterk elektrisch veld dat op zijn beurt de ionen weer meesleurt. Op die manier kan de laser deeltjes binnen enkele millimeters net zo’n vaart geven als waarvoor een traditionele versneller een paar meter versnellerbuis nodig heeft. 

Deze zogeheten ‘laser-wakefieldversnelling’ is daarom op papier een goedkoper en ruimtebesparend alternatief voor traditionele versnellers. De kosten van de nieuwe megaversneller van Cern, de geplande opvolger van de succesvolle Large Hadron Collider, worden bijvoorbeeld geraamd op zo’n 24 miljard euro.

Zelfs medische toepassingen liggen in het verschiet. ‘Met de laser kunnen we isotopen produceren die artsen gebruiken bij de behandeling van kanker’, zegt Tanaka. Diezelfde isotopen worden nu nog gemaakt in deeltjesversnellers in de buurt van ziekenhuizen. ‘Onze laser is nu heel groot, maar we kunnen hem in de toekomst snel kleiner maken als we deze technologie doorontwikkelen’, zegt Tanaka. ‘Dan kan elk ziekenhuis er eentje hebben en zijn eigen isotopen produceren.’

Vacuüm

Enorm belangrijk, maar het hart van de meeste natuurkundigen gaat pas écht sneller kloppen bij de gedachte aan de volgende stap in de wereldwijde laserrace. Dan kunnen ze hun pijlen op het vacuüm richten. Ditmaal niet om er donkere materie te vinden, maar om het compleet aan stukken te scheuren. ‘Bij zo’n sterke laser gaan effecten spelen die we alleen kennen uit de kwantumelektrodynamica’, zegt Tanaka. Die theorie, door fysici meestal aangeduid met de afkorting QED, beschrijft hoe materie en licht op fundamenteel niveau met elkaar omgaan.

In Roemenië liggen er daarom al plannen klaar om lasers op te voeren tot een vermogen van 200 petawatt. ‘Maar het is nog niet zeker of we de financiering daarvoor rondkrijgen’, zegt Tanaka. Tegelijkertijd zijn er in China al concrete plannen voor een laser van 100 petawatt, die in 2023 klaar moet zijn voor gebruik. ‘Dat is al tien keer sterker dan wat wij nu hebben. En zij hebben het budget al wel rond.’

Schiet zo’n laser in de leegte en je passeert iets dat natuurkundigen de Schwinger-limiet noemen, naar QED-grondlegger en Nobelprijswinnaar Julian Schwinger – het punt waarop je laser genoeg kracht heeft om het vacuüm te slopen.

Hoewel dat vacuüm op het eerste gezicht volkomen leeg is, stelt QED namelijk iets anders. Op de allerkleinste schaal is de werkelijkheid een bruisende chaos, bomvol deeltjes en antideeltjes die ontstaan, op elkaar botsen en daardoor direct weer ont-ontstaan, annihileren noemen natuurkundigen dat.

Omdat dergelijke deeltjes verdwijnen op het moment dat ze ontstaan, heten ze ook wel ‘virtueel’. Ze bestaan tot nog toe alleen op papier, als bijvangst van de wiskundige wetten van QED. In de ware wereld kom je ze nooit tegen.

Met een superlaser kun je daarin verandering brengen. Die wekt namelijk een gigantisch elektromagnetisch veld op dat de deeltjes en hun antideeltjes uit elkaar trekt. Daardoor kunnen ze niet langer annihileren. Zo’n laser dwingt de voorheen virtuele deeltjes dus om kleur te bekennen en te verschijnen in de echte wereld. Of zoals theoretisch natuurkundige Sergei Bulanov van het Extreme Light Infrastructure-project eerder zei tegen het tijdschrift New Scientist: ‘Het vacuüm is dan geen vacuüm meer.’

Dat zou de voorspellingen van QED definitief bevestigen, een mijlpaal voor de natuurkunde. Toch wordt het voorbij de Schwinger-limiet misschien nog wel spannender. Want als je met nóg meer energie op het vacuüm schiet, kan niemand je vertellen hoe dat afloopt. Bulanov: ‘Wat er dan gebeurt, is echt nog een raadsel.’

Hoe lasers steeds sterker werden

‘Als je lasers sterker wilt maken, is het grootste probleem hoe je je eigen apparatuur heel houdt’, zegt Kazuo Tanaka, die in Roemenië leiding geeft aan de Europese poging om een megalaser te bouwen.

Het is een kwestie waarmee fysici al kampen sinds ze in de jaren zestig de eerste lasers bouwden. Wie het vermogen van een laser wil opkrikken, schiet de laserbundel op kristallen die de straal versterken. Alleen gaan die op een gegeven moment kapot.

In de jaren tachtig bedachten de Franse fysicus Gérard Mourou en Canadese fysicus Donna Strickland, die vorig jaar nog de Nobelprijs wonnen voor hun bijdrage, daarop een truc: ze trokken de laserpulsen uit elkaar tot een regenboog aan kleuren, waardoor deze minder intens werden. Die regenboog versterkten ze, zonder daarbij de kristallen te slopen, en daarna persten ze de hele boel weer samen – alsof je beslag kneedt met je vingers. De korte, zeer intense laserpulsen die daaruit ontstonden, openden de deur naar een nieuwe wereld. Ze maakten bijvoorbeeld nieuwe chirurgische ingrepen mogelijk, zoals het laseren van ogen.

Ook op fundamenteel niveau bleven fysici vooruitgang boeken. In de jaren erna persten ze de stralen steeds verder samen, waardoor almaar intensere (maar korter durende) laserbundels ontstonden. Door handig te spelen met lenzen en spiegels kun je op die manier stralen maken tot grofweg 10 petawatt, de grens die in Roemenië vanaf april wordt bereikt.

‘Wil je daar voorbij, naar de 100 petawatt die men in China wil bereiken, dan moet je flink wat technische stappen zetten’, zegt Tanaka. Alle ideeën van fysici voor megasterke stralen hebben echter aanzienlijke nadelen.

Zo denken sommigen erover verschillende sterke laserbundels te laten samensmelten. Maar het is niet bepaald makkelijk kortdurende laserpulsen, die soms slechts een fractie van een fractie van een seconde flitsen, precies op hetzelfde moment op dezelfde plek te krijgen. Een kleine trilling in de opstelling is al genoeg om de hele boel te laten mislukken.

Anderen, onder aanvoering van Gérard Mourou, denken daarom na over alternatieven. Zo zou je de straal mogelijk een tweede keer kunnen versterken door het licht nogmaals te kneden, maar ditmaal bij hogere intensiteit.

Extreme lasers in Nederland

Nederland doet niet mee aan het Extreme Light Infrastructure-project. ‘Van oudsher is de ontwikkeling van zeer sterke lasers geen onderwerp dat sterk is vertegenwoordigd in wetenschappelijk Nederland’, zegt laserfysicus Stefan Witte, verbonden aan onderzoeksinstituut ARCNL. Of althans: niet op het niveau als in Roemenië. ‘Er gebeurt hier best wat op het gebied van laserontwikkeling, maar niets dat richting een petawatt-vermogen gaat in dat soort grote faciliteiten.’ Zelf werkt Witte daarom met lasers die ‘iets bescheidener’ zijn dan de exemplaren in Roemenië, al hebben ze nog altijd voldoende vermogen om materie tot plasma te schieten. Volgens hem vindt in Nederland aan verschillende universiteiten en instituten onderzoek plaats met lasers van vergelijkbaar vermogen.

Superlaserwedloop

Over de hele wereld bouwt men aan supersterke lasers. Dit zijn de belangrijkste spelers in de wereldwijde wedloop:

Extreme Light Infrastructure (ELI)

Wie? Europese Unie

Waar? Magurele, vlakbij Boekarest (en gelieerde instituten in Tsjechië en Hongarije)

Huidig record? 3 petawatt* (nu), 10 petawatt (vanaf april)

Langetermijndoel? 200 petawatt

Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SURF)

Wie? China

Waar? Shanghai

Huidig record? 5,3 petawatt

Langetermijndoel? 100 petawatt (in 2023)

Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS)

Wie? Rusland

Waar? Nizjny Novgorod

Huidig record? 1 petawatt

Langetermijndoel? 180 petawatt (en uiteindelijk zelfs 1.000 petawatt; 1 exawatt)

Laser for Fast Ignition Experiment (LFEX)

Wie? Japan

Waar? Osaka

Huidig record? 2 petawatt

Langetermijndoel? 30 petawatt

Optical Parametric Amplifier Line (OPAL)

Wie? Verenigde Staten

Waar? Brighton, New York

Huidig record? > 1 petawatt

Langetermijndoel? 75 petawatt

* 1 petawatt is grofweg het vermogen dat honderdduizend gemiddelde kerncentrales samen opwekken.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden