Achtergronden Bètaonderzoek

Wetenschap, onderzoek en meetopstellingen

Een essay van Sigrid de Jong

Dit essay beschrijft de relatie van de begrippen wetenschap, onderzoek en meetopstellingen. Deze drie begrippen hebben alledrie met elkaar te maken. Geen wetenschap zonder onderzoek en geen onderzoek zonder meetopstellingen hoewel er natuurlijk wel onderzoek bestaat waarbij geen meetopstellingen wordt gebruikt, zoals wiskunde, natuurkunde van het vrije veld, gedragsonderzoek, statistisch onderzoek en literatuur onderzoek. Maar de natuurkunde en dus ook de natuurwetenschap is groot geworden dankzij hele grote en geavanceerde meetopstellingen, denk maar aan de deeltjes versneller bij CERN en aan het ruimtevaart onderzoek. Zonder al die geavanceerde meetopstellingen waren we natuurlijk nooit zover gekomen. En dankzij het ontwikkelen van nieuwe meetopstelling worden er ook allerlei handige technieken en technische snufjes ontwikkeld. Zou er zonder wetenschap zoveel technische ontwikkelingen zijn? Ik vraag het mij af, want zonder het bedrijven van wetenschap kun je ook technische handigheden ontdekken en verder ontwikkelen.

Een definitie van de relatie tussen wetenschap, onderzoek en meetopstellingen is:

Wetenschap is een kennissysteem, waarvan het doen van onderzoek een onderdeel is. Onderzoek is het doen van systematische waarnemingen waaruit logische conclusies getrokken kunnen worden. Voor het doen van onderzoek worden meestal meetopstellingen gebruikt.
Ik zal de begrippen wetenschap, onderzoek en meetopstellingen nader toelichten en daarna enkele voorbeelden geven van meetopstellingen waarmee wetenschappelijk onderzoek wordt gedaan.

 

Wetenschap

Wat is wetenschap? Wetenschap is het geheel van alle menselijke kennis, het is een manier om de kennis over onze omgeving, de natuur, cultuur, geschiedenis en onszelf te beschrijven en te ordenen. Wetenschap in een kennissysteem waarin gezocht wordt naar logische verklaringen van verschijnselen en naar oorzaken van bekende gevolgen.

Wetenschap is een essentieel onderdeel van onze cultuur. Wetenschap bestaat ook al net zo lang als voorzover bekend de oudste cultuur. De oudst bekende cultuur is die van de sumeriërs, deze cultuur is 6000 jaar oud en was de voorloper van de cultuur van de Egyptenaren en de andere oude culturen. Wetenschap was een onderdeel van de sumerische cultuur, zij hadden sterrenkunde, wiskunde en lijsten van delfstoffen, planten, dieren, en sterren.

De huidige wetenschap wordt grofweg ingedeeld in drie gebieden, de alfa-, bèta- en gamma wetenschappen. Deze gebieden worden weer onderverdeeld in verschillende wetenschappen en er zijn wetenschappen die alfa-, bèta- en gamma overlappen, dit zijn de interdisciplinaire wetenschappen. Een voorbeeld hiervan is kunstmatige intelligentie, dat is zowel een alfa-, bèta- als gammawetenschap. Er ontstaan in de loop van de tijd nieuwe wetenschappen als er nieuwe dingen ontdekt worden en er ontstaan nieuwe verdelingen in vakgebieden als er onderwerpen bij komen die verschillende vakgebieden overlappen, zoals astrodeeltjesfysica en biofysica. De verdeling in vakgebieden is enigszins willekeurig en vooral door gewoonte en sociale structuren ontstaan.

De alfawetenschap is de wetenschap van letterkunde en de literatuur, de bètawetenschap is de wetenschap van de natuur en gamma wetenschap bevat vakken als psychologie.

 

Alfawetenschap

Alfawetenschap is de wetenschap van menselijke producten, het is de wetenschap van de cultuur. Wat zijn dan die menselijke producten? Teksten en dus letteren, talen, geschiedenis, filosofie, kunst en cultuurwetenschappen en theologie. Dit zijn allemaal producten van de menselijke geest en alfawetenschap wordt daarom ook wel geesteswetenschapgenoemd.

 

Bètawetenschap

Bètawetenschap is de wetenschap van de natuur, het is de zogenaamde harde wetenschap of natuurwetenschap. Bètawetenschap omvat vakken als natuurkunde, scheikunde, biologie, sterrenkunde, informatica en wiskunde. Hoewel wiskunde strikt genomen geen wetenschap is. Bètawetenschap is de wetenschap van alle dingen die niet door mensen gemaakt zijn, dus de hele natuur, het is de wetenschap van alles wat zonder ons bestaan kan van alles wat ook zou bestaan als er geen mensen zouden bestaan. In die zin is het heel fundamenteel en daarom wordt bètawetenschap harde wetenschap genoemd.

Als men het over de wetenschap heeft wordt vaak de bètawetenschap bedoelt, het is de wetenschap in engere zin. Op bètawetenschap wordt in onze cultuur de meeste aandacht gelegd en hier wordt het meeste geld aan uitgegeven. Dat heeft er ook mee te maken dat bètawetenschappelijk onderzoek vaak erg duur is door de complexe en dure meetapparatuur die voor bètawetenschappelijk onderzoek wordt gebruikt. Dat heeft er natuurlijk ook mee te maken dat wij deze wetenschap kennelijk erg belangrijk vinden. Daar zit wel wat in omdat uit bètawetenschappelijk onderzoek veel nieuwe technologieën voortkomen en die zijn in onze cultuur erg belangrijk.

 

Gammawetenschap

Gammawetenschap is de wetenschap van menselijk gedrag en maatschappij, het is de wetenschap die zich met de mens bezighoud. Gammawetenschap omvat vakken als: Psychologie, sociologie, antropologie, economie, rechten, communicatiewetenschap en medicijnen. Gammawetenschap is een relatief jonge wetenschap en zit tussen alfa- en bètawetenschap in.

 

Onderzoek

Wat is onderzoek? Onderzoek is het stellen van een vraag en het doen van systematische waarnemingen om het antwoord op deze vraag te krijgen. Eerst wordt er een vraag gesteld of een hypothese opgesteld, daarna worden waarnemingen systematisch verzameld en geordend. Uit deze waarnemingen wordt een logische conclusie getrokken. Deze conclusie is het antwoord op de vraag of de bevestiging of ontkrachting van de hypothese.

Het gebeurt ook wel eens dat het beantwoorden van de vraag of het controleren van de hypothese niet mogelijk is, dan is de conclusie dat het onderzoek niet goed is en dat er meer onderzoek nodig is.

 

Meetopstellingen

Meetopstellingen zijn instrumenten die speciaal gebouwd zijn om bepaalde dingen te meten. Er bestaan instrumenten om van alles en nog wat te meten. Voor het doen van wetenschappelijk onderzoek worden telkens speciale en nieuwe meetopstellingen ontwikkeld. Meetopstellingen worden zo precies en nauwkeurig mogelijk gemaakt want "meten is weten" zei Kamerling Onnes al. "Meten is weten, als je weet wat je meet" voegde één van mijn afstudeerbegeleiders van de HTS er aan toe en dat is zeker waar. Want als je niet precies weet wat er in je meetopstelling gebeurt weet je niet precies wat je meet en heb je dus niks aan je meting.

Het ontwikkelen van nieuwe meetopstellingen is een belangrijk onderdeel van de wetenschap, zegmaar essentieel want zonder nieuwe betere meetapparatuur zou er lang niet zoveel nieuws ontdekt worden. Vaak breekt er een heel nieuwe wetenschap open omdat er een nieuw meetinstrument ontwikkeld is. Met dit nieuwe instrument worden dan heel nieuwe dingen waargenomen of blijken dingen toch weer anders te zijn dan verwacht. Een voorbeeld is de eerste microscoop en de eerste telescoop.

Door het ontwikkelen en bouwen van nieuwe meetinstrumenten worden er nieuwe technieken ontdekt en ontwikkeld en daardoor worden dan weer nieuwe en betere meetinstrumenten ontwikkeld.

 

Meetopstellingen in de hoge-energiefysica

In het onderzoek naar nieuwe elementaire deeltjes worden steeds grotere deeltjesversnellers en detectoren gebruikt, er worden dus steeds grotere meetopstellingen gebruikt. Het begon met de uitvinding van het nevelvat door Charles Thomson Rees Wilson in 1910. Met dit apparaat dat zo klein was dat je het in één hand vast kon houden kon je sporen van deeltjes zien. De deeltjes laten nevelsporen achter en aan die sporen kun je zien waar de deeltjes geweest zijn.

In 1911 ontdekte Victor Hess met dit apparaat de kosmische straling. Hij bond een nevevat aan een ballon en liet die opstijgen om de achtergrondstraling hoog boven de grond te meten. Hij verwachtte dat de achtergrond straling af zou nemen omdat het nevelvat verder van de radioactieve bronnen in da aarde af is. Maar hij ontdekte dat de achtergrondstraling toenam in plaat van afnam en ontdekte zo per toeval de kosmische straling.

Het nevelvat is gebruikt als detector voor deeltjes en hiermee zijn nieuwe elementaire deeltjes ontdekt. In 1960 vond Donald Arthur Glaser de opvolger van het nevelvat, het bellenvat. Het bellenvat bevat vloeistof die bijna kookt en als er een deeltje doorheen vliegt gaat de vloeistof op die plaatsen koken en zo laat het deeltje een spoor van bellen achter. Het bellenvat geeft veel duidelijkere zichtbare sporen dan het nevelvat.

Bellenvaten werden achter versnellers geplaatst om de deeltjes uit de versneller te detecteren. In de loop van de jaren werden steeds grotere deeltjesversnellers gebouwd en werden ook steeds grotere bellenvaten gebouwd, om de steeds langere deeltjessporen zichtbaar te kunnen maken.

De grootste deeltjesversneller ter wereld staat op het CERN (Centre European Rescherch Nucleaire). Het CERN is het grootste deeltjesversnelleronderzoekscentrum ter wereld. Dit laboratorium ligt in Geneve en ligt half in Zwitserland en half in Frankrijk. De grootste versneller te wereld op dit moment is de LEP, de Large Electron Positron collider. Deze versneller ligt in tunnel 100 meter onder de grond. De omtrek van deze tunnel is 27 kilometer.

Er wordt op dit moment een nieuwe versneller gebouwd, namelijk de LHC, de Large Hardron Collider. De LHC komt in dezelfde tunnel als de oude versneller, en is dus net zo groot. De LHC versneld deeltjes tot een nog hogere energie dan de oude versneller en is de versneller die tot de hoogste energie versneld.

De LHC versneld protronen (dat zijn hardronen, vandaar hardron collider) tot een energie van 7 TeV (Tera electronVolt), dat is 1012eV. Deze bundel botst aan het einde op een bundel antiprotonen van ook 7 TeV en bij deze botsing ontstaan allemaal nieuwe deeltjes en daar is het in een deeltjes versneller om te doen. Bij het botsen ontstaan soms nieuwe deeltjes en hoe hoger de energie hoe hoger de energie van de deeltjes die kunnen ontstaan. Deze experimenten wordne uitgevoerd om nieuwe elementaire deeltjes te ontdekken, men is speciall opzoek naar het Higs boson dat het ontstaan van massa van andere deeltjes zou kunnen verklaren. De voorspelde energie van het higgs boson ligt tussen de 130 en de 190 GeV. Om dit deeltje te kunnen vinden of om met zekerheid te bewijzen dat het niet bestaat moeten deze energieën en veel hoger energieën bereikt worden in de nieuwe versneller.

Om de deeltjes die ontstaan bij de botsingen te detecteren zijn er detectoren nodig. Voor deze versneller zijn speciale detectoren gebouwd. De detectoren zijn het belangrijkste onderdeel van deze enorme meetopstelling, want met deze detectoren moeten de deeltjes gedetecteerd worden. Er ontstaan bij een botsing heel veel verschillende deeltjes met heel verschillende eigenschappen, zoals in energie en in lading enz, en natuurlijk moet de detector zo gemaakt worden dat hij voorspelde deeltjes, zoals het higgs boson, kan meten.

Rondom de versneller staan vier detectoren. Deze detectoren zijn de LHCb, ALICE, ATLAS en CMS (Compacte Muon Solenoïde). Deze detectoren zijn enorm groot, ze zijn meerdere tientallen meters hoog en breed.

 

De grootste meetopstelling

De grootste meetopstelling op dit moment is het Pierre Auger Observatorium in Argentinië. Deze meetopstelling heeft een oppervlakte van 3000 km2. Dat is zo groot als de provincie Drente.

Deze meetopstelling wordt gebruikt om de oorsprong van kosmische deeltjes met een extreem hoge energie te onderzoeken. De energie van deze deeltjes is 1020 eV en dat is veel hoger dan de energie van hoogst energetische deeltjes die in de grootste deeltjesversnellers, zoals het CERN, wordt gemaakt.

De meetopstelling is vernoemd naar de Franse onderzoeker Pierre Auger die in 1938 ontdekte dat er kosmische deeltjes de atmosfeer binnendringen en botsen met moleculen in de lucht. Bij deze botsing ontstaat een lawine van secundaire deeltjes. Hoe hoger de energie van het kosmische deeltje hoe groter de lawine van secundaire deeltjes. De lawine van deeltjes verspreid zich over een heel groot gebied. Hoe groter de lawine hoe groter het gebied waarover de secundaire deeltjes zich verspreiden. De secundaire deeltjes zijn ook zeer energierijk en veroorzaken een lichtspoor in water en een zeer zwakke fluorescentie van stikstof moleculen in de lucht. Het lichtspoor in water is Cherenkovstraling dat ontstaat doordat de deeltjes sneller gaan dan de lichtsnelheid in water.

De meetopstelling bestaat uit 1600 tanks water verspreid over het gebied met elk 120000 liter zuiver water. In deze tanks zitten lichtdetectoren die de lichtsporen van de secundaire deeltjes meten. Vanuit vier gebouwen wordt met sterke camera's de fluorescentie in de lucht gemeten. De fluorescentie is zo zwak dat het dit alleen in maanloze, onbewolkte nachten kan. De meetopstelling staat op een plaats waar geen achtergrondlicht van steden is.

De bedoeling van deze meetopstelling is om de oorsprong van de zeer hoge energetische deeltjes te ontdekken. Waar komen deze deeltjes vandaan en hoe krijgen ze zo'n hoge energie?

 

Onderzoek zonder meetopstellingen

Bestaat er ook wetenschappelijk onderzoek zonder weetopstellingen? Het is niet onmogelijk omdat onderzoeken het doen van systematische waarnemingen is en voor het doen van waarnemingen is het gebruik van apparatuur niet noodzakelijk. Alleen speciale apparatuur en meetopstellingen maken het soort waarnemingen dat gedaan kan worden wel veel groter dan de waarnemingen die je zonder kunt doen. Daarnaast kun je je afvragen of onderzoek dat gedaan kan worden zonder ingewikkelde apparatuur niet allang gedaan is. Dan kan wel want onze omgeving en maatschappij verandert voortdurend waardoor er weer nieuwe dingen te onderzoeken zijn. Natuurlijk komen er mensen op nieuwe ideeën om dingen te onderzoeken die nog niet gedaan zijn.

 

Bronnen:

word versie