Nieuws Oersoep

Nog even en we weten hoe het heelal er vlak na zijn geboorte uitzag

Hoe zag het heelal er enkele duizendsten van een seconde na zijn geboorte uit? Die vraag valt steeds beter te beantwoorden. Het lukt natuurkundigen beter en beter om in het laboratorium het heelal in de vroegste fase na te bootsen.

De deeltjesversneller van Cern in Genève, die de laatste tijd enorm veel gegevens heeft opgeleverd over de processen in de vroegste fase van het heelal.

Hoe het ruikt, klinkt of voelt weet niemand. Of het borrelt, bruist, klotst of stroomt evenmin. De bekende feiten over de kosmische oersoep, het raadselachtige goedje dat heel het heelal na zijn geboorte enkele duizendsten van een seconde lang vulde, zijn op één hand te tellen. Wat we weten: het is extreem vloeibaar. Het is ontzettend heet. En als het afkoelt, klontert het samen tot deeltjes. Op die manier plaveide de oersoep de weg voor het ontstaan van sterren, planeten en uiteindelijk zelfs mensen.

Het spul zelf komt nu, zo’n 13,5 miljard jaar na die bewogen kosmische geboorte, van nature alleen nog voor in het binnenste van neutronensterren, extreem samengeperste objecten waarin de druk en temperatuur oplopen tot belachelijk hoge niveaus. Maar in twee wetenschappelijke laboratoria in Genève en New York beheerst men het trucje ook. Daar bootsen ze de oersoep na door deeltjes met vrijwel de lichtsnelheid op elkaar te knallen.Tijdens zo’n botsing wordt het enkele biljoenen graden heet: voldoende om heel eventjes de oersoep te maken, die vervolgens afkoelt en klit tot (meetbare) deeltjes. Op die manier hopen ze de raadsels van het zeer jonge heelal te verkennen.

Half december zetten Amerikaanse onderzoekers verbonden aan het Brookhaven National Laboratory de volgende stap. In het vakblad Nature beschreven ze hoe ze deeltjes zodanig lieten botsen dat het resulterende quarkgluonplasma, zoals de kosmische oersoep in vakkringen heet, vormpjes aannam. Een cirkel wanneer je één deeltje op een zware atoomkern schiet, een ellips als je dat met twee deeltjes doet en een driehoek bij drie deeltjes. Exact zoals men vooraf had verwacht.

‘Dat gaf de bevestiging dat we écht quarkgluonplasma hadden gemaakt’, zegt co-auteur Jamie Nagle van de University of Colorado Boulder. Opmerkelijk, want ze kregen het voor elkaar door een klein deeltje (een proton) op een zwaar deeltje (een goudkern) te schieten, terwijl dit soort experimenten normaal met twee zware deeltjes verloopt. De druppel oersoep die uit zo’n meer bescheiden botsing komt, is in vergelijking een stuk kleiner.

Echt heel weinig

‘Vijf jaar geleden hadden mensen je voor gek verklaard als je had gezegd dat je uit een botsing zoals deze quarkgluonplasma kunt maken’, zegt Nagle. ‘We maten na afloop soms maar twintig, dertig deeltjes die uit het plasma afkomstig waren. Dat is echt heel weinig.’

Eén van de problemen met onderzoek naar druppeltjes oersoep, is dat je daaruit nooit alles kunt leren over het vroege heelal. ‘Als je onderzoek doet naar een enkel druppeltje water kun je allerlei eigenschappen van dat water leren kennen. Maar over het gedrag van complete oceanen met hun golven en ander grootschalig gedrag leer je weinig’, zegt fysicus Raimond Snellings, verbonden aan natuurkunde-instituut Nikhef.

Snellings is onder meer werkzaam bij het Alice-experiment bij de deeltjesversneller van Cern, het andere experiment waarbij men quarkgluonplasma kan maken. ‘Wat we wel kunnen onderzoeken is hoe de faseovergang verloopt’, zegt hij. Dat is het moment waarop het plasma afkoelt en deeltjes verschijnen. ‘Gaat dat vloeiend of niet? Zo niet, dan krijg je belletjes en klonters. Dat zou mogelijk kunnen verklaren waarom we structuur in het heelal zien’, zegt Snellings. Het huidige heelal kent plekken met veel materie en uitgestrekte gebieden waarin vrijwel geen deeltje te vinden is. ‘Toch is volgens de huidige theorie en experimentele metingen een geleidelijke overgang veel waarschijnlijker.’

Daarnaast zouden fysici graag meer willen weten over het vloeistofgedrag van de oersoep, omdat het iets kan zeggen over hoe het zich op grotere schaal gedraagt. ‘We weten nu dat het zich in die kleine druppeltjes gedraagt als een ideale vloeistof. Dat wil zeggen: eentje zonder wrijving’, zegt Snellings. Als je een potje van zo’n vloeistof om zou gooien op je bureau zou het zo, floep, langs elk mogelijk obstakel glijden zonder dat het ook maar enigszins wordt afgeremd.

Met hun metingen van de stroperigheid van de vloeistof kunnen Snellings en zijn collega’s zelfs voorspellingen testen uit de meest wiskundig complexe hoeken van de natuurkunde. Bijvoorbeeld over de snaartheorie, die stelt dat alles om ons heen op een fundamenteel niveau uit trillende snaartjes bestaat. Dergelijke theorieën zijn onder natuurkundigen berucht omdat ze zo moeilijk te toetsen zijn in de werkelijkheid. Maar met deze experimenten in de deeltjesversneller lukt dat wel. En wat blijkt: tot nog toe gedraagt de oersoep waaruit de werkelijkheid verrees zich geheel conform de verwachtingen. ‘Je kunt ons werk zien als een eerste bevestiging van de snaartheorie’, zegt Snellings.

Wrijvingloos

Een succes, dus, maar de vragen die resteren zijn gigantisch. ‘We snappen nog niet hoe uit het plasma deeltjes kunnen ontstaan’, zegt Snellings. ‘En we snappen ook nog niet waarom het quarkgluonplasma eigenlijk wrijvingsloos is’, voegt Nagle toe. ‘Daarom bouwen we bij Brookhaven nu aan een vervolgexperiment dat daarop het antwoord moet geven.’

Ook bij Alice is men de komende twee jaar bezig met het opvoeren van de detector. De deeltjesversneller in Genève ligt gedurende die tijd stil voor onderhoud en technische verbeteringen. ‘In de periode daarna hopen we een definitief antwoord op deze openstaande kwesties te vinden’, zegt Snellings. Tot die tijd ligt er, na de laatste meetperiode bij Cern, overigens nog een flinke bak gegevens te wachten. Daarin zitten tien keer meer meetgegevens dan Alice tot nog toe verzameld heeft - inclusief een onbekend aantal nieuwe inzichten over de kindertijd van de kosmos. Misschien dat we dan zelfs ontdekken hoe het vroege universum rook, klonk en voelde.

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 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden