Fermilab en Sanford Lab – hoge energiefysica nabij Chicago en de Black Hills
Een weergaloos bezoek onder leiding van prof.dr. Sijbrand de Jong
Deze reis wordt uitgevoerd in het voorjaar van 2025. Wilt u op de hoogte gehouden worden dan kunt u dit doen door ons te mailen op nrc@piedaterrereizen.nl of de informatiebutton gebruiken.
De wetenschap floreert! Afgelopen zomer deelde NASA de eerste kleurenafbeeldingen van de James Webb Space Telescope en het Europese CERN begon met succes aan hun derde run van de Large Hadron Collider (LHC). Met andere woorden, het is een goede tijd voor ´geeks´. Dus als u net als wij bruist van wetenschappelijke opwinding, dan hebben we de perfecte plekken gevonden: Batavia, Illinois en Lead, South Dakota. Het is de Amerikaanse tegenhanger van het Europese CERN.
Het Fermilab is een Amerikaans nationaal onderzoekscentrum dat gespecialiseerd is in hoge-energiefysica. Het werd in 1967 opgericht en bevindt zich in Batavia (Illinois) vlak bij Chicago. Het is genoemd naar de natuurkundige Enrico Fermi. Onderdeel van Fermilab was de Tevatron-deeltjesversneller. In de Tevatron-ring werden protonen op antiprotonen geschoten bij een energie van 1,96 TeV (1 TeV is 1012 elektronvolt). De botsingen in de Tevatron-ring werden gemeten door twee deeltjesdetectoren, D0 en CDF. Dit heeft onder andere geleid tot de ontdekking van het zwaarste elementaire deeltje dat we tot nu toe kennen, het top-quark. Op dit moment concentreert Fermilab zich op experimenten die de raadselen rond neutrino’s moeten ontrafelen.
Fermilab is naast een versneller lab ook een culturele bezienswaardigheid. De eerste directeur, Robbert Rathbun Wilson, was naast deeltjesfysicus ook kunstenaar en heeft zich op het lab met zowel architectuur, landscape art, ecologieprojecten en kunstobjecten uitgeleefd.
Fermilab ligt niet ver van Chicago met een rijk cultureel leven.
De Sanford Underground Research Facility (SURF), of Sanford Lab, is een ondergronds laboratorium in Lead, South Dakota. Het is het diepste ondergrondse laboratorium in de Verenigde Staten en herbergt meerdere experimenten op gebieden als donkere materie en neutrinofysica, biologie, geologie en engineering. De faciliteit is gehuisvest in de voormalige Homestake Gold Mine, een diepe ondergrondse goudmijn die werd gesticht tijdens de Black Hills Gold Rush in 1876. Diep onder de grond in de mijn is het DUNE experiment in opbouw, waarin neutrino’s die op Fermilab worden gemaakt en door de 1300 km aardkorst worden geschoten weer worden waargenomen, maar dan soms in een heel andere gedaante.
We verblijven tijdens de reis in Chicago en de posttour brengt ons naar Rapid City. Chicago is prachtig gelegen aan de oever van Lake Michigan. The Windy City, Chicago, derde stad van de Verenigde Staten, waar de grote brand van 1871 een stimulans was voor een buildingboom en de geboorte van de Amerikaanse wolkenkrabber. Allerlei aspecten uit het verleden die het karakter van de stad bepalen, komen aan bod: de sociale strijd, de drooglegging, maar ook bloei en rijkdom weerspiegeld in the Institute of Art en het Chicago Symphony Orchestra.
Rapid City ligt ten noorden van de Black Hills, een geïsoleerd gebergte dat boven de vlakten van de Great Plains uittorent, waarin zich vele nationale parken bevinden.
In Chicago bezoeken we ook nog het Kavli Institute for Cosmological Physics van de University of Chicago en Argonne National Laboratory. Ontmoetingen met wetenschappers staan ook hier centraal. Beide steden staan, naast het bezoek aan de wetenschappelijke onderzoeksinstituten, garant voor een afwisselend programma.
Even om uw wetenschappelijke achtergrond op te frissen:
Neutrino’s zijn de meest mysterieuze elementaire deeltjes die we kennen. Neutrino’s hebben slechts zeer zwakke interactie met de materie om ons heen. Niettemin zijn ze essentieel voor bijvoorbeeld het branden van de zon en andere kernprocessen. Ze zwerven ook een groten getalen door het universum, er zijn er zo’n 330 per kubieke centimeter overal om ons heen, die allemaal met bijna de lichtsnelheid bewegen.
Toch kennen we nog niet alle basiseigenschappen van neutrino’s in detail.
Zo weten we bijvoorbeeld nog niet wat hun massa is, voor alle andere elementaire deeltjes is dat wel in detail bekend. We weten zelfs nog niet of neutrino’s dezelfde soort materie zijn als deeltjes zoals elektronen.
Een zeer uitzonderlijke eigenschap is dat neutrino’s onderweg van gedaante kunnen verwisselen. Er zijn drie soorten neutrino’s. Een neutrino die als de ene soort vertrekt kan best als de andere soort aankomen.
Dit alles gaat in detail worden onderzocht door bundels van neutrino’s te maken op Fermi National Accelerator Laboratory (in het kort Fermilab) bij Chicago en die neutrino’s te meten in de Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota, 1300 km verderop.
Beide faciliteiten zijn te bezoeken, Fermilab als modern deeltjesversneller lab en SURF als modern ondergronds onderzoekslab, zo’n 1500 meter diep onder de grond.