Uw profiel is aangemaakt

U heeft een e-mail ontvangen met een activatielink. Vergeet niet binnen 24 uur uw profiel te activeren. Veel leesplezier!

Op de bres voor de natuurkunde: 'Het zijn spannende tijden'

Home

Joep Engels

© Fadi Nadrous

Natuurkundige experimenten worden steeds groter, maar ze lossen de raadsels van materie en kosmos niet op. Na de natuurkundige revoluties van de vorige eeuw, is het nu angstwekkend stil. Maar een groep fysici trekt ten strijde tegen dat beeld. 'Deze tijd is juist supercool.'

De natuurkunde lijkt in een dip te zitten. De laatste jaren valt er weinig groot nieuws van het front te melden. Akkoord, twee jaar geleden werden voor het eerst zwaartekrachtgolven gemeten en in 2012 bewezen fysici van de deeltjesversneller bij Genève het bestaan van het Higgs-deeltje. Maar beide waren lang daarvoor door de theorie voorspeld.

Lees verder na de advertentie

Intussen worstelt het vak al decennia met dezelfde grote vragen. Wat is de aard van donkere materie en donkere energie, die samen 95 procent van de ruimte uitmaken? Waarom lukt het maar niet om alle krachten die we kennen onder één noemer te brengen? Vragen waarop alle experimenten het antwoord schuldig blijven. 

De Geneefse versneller heeft aan zijn ontdekking van het Higgs-deeltje nog geen vervolg gegeven. In een oude Japanse zinkmijn wachten fysici al sinds de jaren zeventig op een eerste piepje waarmee een proton zijn verval aankondigt. En eind vorig jaar meldde vakblad Nature dat de jongste zoektocht naar het donkere materiedeeltje wederom niets had opgeleverd. De fundamentele fysica frustreert fysici, kopte weekblad The Economist onlangs.

Het beeld in de media werkt con­tra­pro­duc­tief voor de wetenschap

Sascha Caron

Dat zien die wetenschappers zelf heel anders. Het zijn juist spannende tijden, reageren natuurkundigen van de Radboud Universiteit Nijmegen als ze met dit crisisbeeld worden geconfronteerd. De media schetsen een karikatuur, ze jagen op nieuwtjes, zijn veel te ongeduldig. "Zo werkt het niet in dit vak."

Verkeerde aanname

Hoe het dan wel werkt, leggen ze graag uit. En zo komt het dat op een donderdagmiddag elf fysici - tien mannen en een vrouw - zich verzamelen in een zaaltje van het Huygensgebouw op de Nijmeegse campus. Theoreten en experimentatoren, hoogleraren en promovendi, werkzaam in de deeltjesfysica, kosmische straling, donkere materie, quantumgravitatie.

Charles Timmermans trapt af: "De aanname deugt niet. De grote vragen over donkere materie of donkere energie komen niet uit de theorie voort. Het zijn waarnemingen en het is juist de theorie die daar nog geen eenduidig antwoord op heeft."

Of neem de gravitatiegolven, vult Frank Filthaut aan. Hun bestaan werd al in 1916 door Albert Einstein voorspeld maar precies een eeuw later pas experimenteel bevestigd. "Alleen dát aspect werd in de media benadrukt. Een bevestiging van de theorie. Maar het werkte ook andersom, en dat was veel leuker. Die eerste meting liet zien dat er heel veel grote zwarte gaten zijn. Veel meer dan gedacht en veel meer dan de theorie kan verklaren."

Contraproductief

Het beeld in de media werkt contraproductief voor de wetenschap, zegt Sascha Caron. "De LHC, de versneller bij Genève, heeft pas 1 procent van alle data geanalyseerd. 'Is er nog nieuws?', vraagt de journalist. Nee, natuurlijk niet. Maar de conclusie dat de LHC geen nieuwe fysica heeft opgeleverd, kun je niet vóór 2030 trekken."

Mensen hebben er recht op te weten wat er met hun belastinggeld gebeurt

Charles Timmermans

Caron: "De meeste experimenten zijn bedoeld om theorieën uit te sluiten, of om het zoekgebied naar een deeltje in te perken. Neem dat Higgs-deeltje, daar werd al in de jaren zeventig naar gezocht. Toen keken we bij massa's van één MeV (megaelektronvolt, een eenheid voor energie en massa die deeltjesfysici doorgaans gebruiken, red.). Of zelfs daaronder. 

Nu blijkt hij 125.000 MeV te wegen. Wel honderdduizend keer zo zwaar! Stel dat een journalist toen had geschreven: nu hebben jullie zelfs bij een MeV niets gevonden, nu moesten jullie maar eens stoppen en iets anders bedenken. Daarom zeg ik: rustig maatschappij, heb geduld. Wetenschap kost tijd."

Charles Timmermans: "Je wilt niet weten hoeveel theorieën door experimenten zijn weerlegd. Elke meting van de LHC verwerpt wel een hypothese die in de jaren vijftig door een Rus is bedacht. Zo komen we vooruit in de natuurkunde, door modellen of theorieën uit te sluiten."

"De zoektocht naar het donkere-materiedeeltje is nog veel lastiger", zegt Melissa van Beekveld. "We weten niet welke wisselwerking het heeft met andere deeltjes, we weten niet hoe zwaar het zou kunnen zijn. We weten zelfs niet of het om één deeltje gaat of om tientallen deeltjes." Sascha Caron: "Het speelveld is minstens een orde van grootte uitgebreid."

Verwachtingen

Ze hebben die misvatting ook aan zichzelf te danken, erkennen ze. Wetenschap en media vinden elkaar steeds vaker, zegt Timmermans. "We komen vaker in de krant, en die krant vraagt om nieuws." Terecht, vult Van Beekveld aan: "Mensen hebben er recht op te weten wat er met hun belastinggeld gebeurt."

Caron: "Het gevolg van die media-aandacht is ook dat collega's onterechte claims leggen. 'Ik heb nu iets gemeten; dat moet ons naar het donkere materiedeeltje leiden'. Dan creëer je verwachtingen, maar vervolgens hoor je er nooit meer wat van. En vergeet niet dat sommigen de media gebruiken om hun eigen onderzoek te promoten."

Intussen gaat het werk aan het Higgs-deeltje gestaag door, zegt Remco Castelijn. "We weten nu dat het bestaat - daar is een Nobelprijs voor toegekend - maar we weten nog zo veel niet. Daar hebben we nog tientallen jaren werk aan, eer we al zijn karakteristieken kennen. Die metingen kunnen makkelijk een kink in de kabel geven."

Misschien is het heelal gewoon een rommeltje. Zijn de dingen wat ze zijn, zonder diepere verklaring.

De Duitse natuurkundige Sabine Hossenfelder

Het Higgs-deeltje vormde in 2012 het sluitstuk van het zogeheten Standaard Model, de theorie die beschrijft wat de bouwstenen zijn van de natuur en hoe ze op elkaar reageren. Het Higgs-deeltje gaf die bouwstenen hun massa. De theorie was daarmee gered, maar de massa van het Higgs-deeltje zelf gaf weer nieuwe kopzorgen. Die kon extreem groeien.

"Dat maakt het interessant", zegt Wim Beenakker. "We kunnen aan het Higgs-deeltje zien dat er bij hoge energieën iets moet gebeuren. Het Standaard Model is dan niet meer levensvatbaar. Dan scheurt het uiteen." Caron: "Dat hoeft niet. Als de massa ietsje anders is, blijft het Model intact."

© Fadi Nadrous

"In die constatering schuilt wel een probleem", zegt Frank Filthaut. "Jij kunt wel op zoek gaan naar een energieniveau waarop de theorie explodeert, maar als experimentator word ik daar soms moedeloos van. Want zulke niveaus gaan wij in de praktijk nooit halen. Dat is een valkuil die je moet zien te vermijden: streef niet naar een meting die je niet kunt meten."

Het gesprek verlegt zich naar de vraag welke theorieën je kunt toetsen. We hebben geen overzicht van alle mogelijkheden, zegt Van Beekveld. "Dat zou het werk eenvoudig maken. Dan konden we de theorieën één voor één afvinken. Maar we hebben geen idee of de goede theorie op ons lijstje staat."

Oog voor schoonheid

In weekblad The Economist betoogde de Duitse natuurkundige Sabine Hossenfelder onlangs dat natuurkundigen zichzelf dwarszitten. Ze streven naar een allesomvattende theorie, die liefst ook eenvoudig is en esthetisch verantwoord. 'Maar misschien is het heelal gewoon een rommeltje. Zijn de dingen wat ze zijn, zonder diepere verklaring. En is er niets meer voorbij het Standaard Model.'

Daar is Sascha Caron het volstrekt mee oneens. Veel theorieën zijn moeilijk te toetsen, maar uit dat gegeven kun je nog geen conclusies trekken. Hijzelf heeft een voorkeur voor theorieën die mooi zijn, symmetrisch, eenvoudig. 

"Er zit een orde in. De theorie van het Higgs-mechanisme was zo mooi, die kon met zo weinig parameters zo veel verklaren, daar had ik het gebruikelijke bewijs van vijf sigma (kans van één op drie miljoen dat de meting een toevalstreffer was, red.) niet nodig. Met drie sigma (één op duizend) had ik het ook wel geloofd."

Zijn pleidooi om oog te hebben voor de schoonheid van een theorie, maakt de tongen los. Tot dat moment heeft iedereen een afwachtende houding aangenomen, en was het een rustig gesprek. Maar nu barst de discussie los, wordt er veel gelachen en spreekt men geregeld door elkaar heen.

"Dat zie ik anders", reageert Filthaut. "Het Standaard Model met het Higgs-mechanisme is altijd ons ijkpunt geweest, maar om daar nou in te gelóven..."

Elk experiment draagt bij aan een beter begrip van de wereld en leidt dus naar de theorie van alles

Melissa van Beekveld

Ook Van Beekveld zou het woord 'geloof' niet gebruiken. "Ik heb bewíjs nodig. Ik wil ook wel een theorie die veel kan verklaren, maar daar ga ik niet bij voorbaat van uit. Wat dat betreft ben ik agnostisch. Het gaat er volgens mij om dat je goede vragen stelt."

Theorie van alles

Caron: "Maar stel dat iemand een theorie van alles heeft. Stel dat die er wiskundig heel mooi uitziet, hij kan er alles mee verklaren, je weet alleen niet of dat zo is. Zou je die theorie niet willen toetsen?"

Van Beekveld: "Zo ver ben ik nog niet. Natuurlijk, elk experiment draagt bij aan een beter begrip van de wereld en leidt dus naar de theorie van alles. Maar in de fase dat we zo'n theorie zouden kunnen toetsen, zitten we nog lang niet."

Het is prima om een voorkeur te hebben voor mooie theorieën, zegt Bob Stienen. "En we kennen allemaal Ockhams scheermes (dat zegt dat je de hypothese moet kiezen met de minste veronderstellingen, red.). Maar het wordt gevaarlijk als je het vijfsigma-criterium laat vallen omdat je ergens in gelooft. Je moet luisteren naar de natuur, Sascha. Niet naar jezelf."

Caron: "Natuurlijk moet je met een open blik een theorie aanschouwen of het experiment aangaan. Maar neem nu die claim over de donkere materie door het DAMA-experiment. Zij beweerden dat ze tien sigma hadden, maar ik vond het zo'n gekunstelde theorie dat ik nog niet overtuigd ben."

Timmermans: "Dat ben ik niet met je eens. Bij tien sigma kun je niet meer twijfelen aan de waarneming. Het probleem zit hem in de verklaring. Is het wel donkere materie wat ze hebben waargenomen?" Timmermans heeft in Genève ooit een debat bijgewoond over schoonheid als een maatstaf in de natuurkunde. 

"Theoreten zijn erg gecharmeerd van schoonheid, maar als experimentator denk ik: wat is er nou van waar? Ik heb liever een theorie die met experimenten bevestigd wordt dan een mooie theorie."

Goede vragen

Maar welk experiment doe je dan? Welke data zou iedereen in handen willen krijgen? Welke theorie moet als eerste worden bevestigd of ontzenuwd?

Alles, zegt Van Beekveld. "Kosmische straling, donkere materie, neutrino's. Het maakt me niet uit. Als ik genoeg geld krijg, wil ik alles onderzoeken. Ik wil oprecht weten hoe de natuur werkt."

Stienen: "Precies. We moeten niet met scherp op één probleem schieten. Het is heel goed dat Remco het Higgs-deeltje doorlicht. Dat Charles naar kosmische straling kijkt. Iedereen hier in deze zaal kan een bijdrage leveren die nieuwe hints geeft. Als je één experiment kiest, doe je hetzelfde als de casinoganger die al zijn geld op rood zet."

De natuurkunde had in dertig jaar tijd een compleet nieuw aanzicht gekregen

Het hangt ook van het type vraag af, zegt Timmermans. "Soms is die vraag specifiek gericht op een deel van de theorie. Dan wil je bijvoorbeeld exact weten hoe zwaar een bepaald deeltje is. Bij andere experimenten onderzoek je onbekend terrein: wat zou er gebeuren als ik...? De huidige versneller in Genève is meer een zoekmachine, terwijl zijn voorganger, de LEP, heel precieze metingen deed. In ons vakgebied hebben we niet veel smaken. We kunnen de energie opvoeren en het aantal interacties."

Caron: "Als ik één vraag zou mogen stellen? Dan wil ik weten wat donkere materie is. Als de LHC zo'n donkere-materiedeeltje zou vinden, zou dat heel veel opleveren. Over de theorie van de zwaartekracht bijvoorbeeld. Maar het zou ook het breekijzer voor het Standaard Model kunnen zijn."

Castelijn: "Denk je dat het zo zal gaan? Dat we achteraf één moment kunnen aanwijzen waarop we zijn gaan begrijpen wat donkere materie is? Ik ben bang dat we het met heel veel kleine hints moeten doen."

Caron: "Dat is zo, maar die eerste ontdekking zou wel een grote hint zijn. Probleem is dat je niet weet of dat het enige donkere materiedeeltje is. Misschien zijn het er wel tien. Voordat we daar achter zijn, zijn we honderd jaar verder."

Glorietijd

Vaak wordt het begin van de vorige eeuw gezien als de glorietijd van de moderne natuurkunde. Het waren de jaren dat Albert Einstein zijn relativiteitstheorie opstelde. De quantumtheorie werd in de steigers gezet. De natuurkunde, die eind negentiende eeuw bijna voltooid leek, had in dertig jaar tijd een compleet nieuw aanzicht gekregen.

Anderen, zoals de Amerikaanse kosmoloog Lawrence Krauss, beschouwen de decennia na de Tweede Wereldoorlog, toen het Standaard Model vorm kreeg, als de gouden tijd. Ook die storm is geluwd en sindsdien lijkt het vak in een saaie fase zijn beland.

Dat bestrijden de Nijmeegse fysici. "Het hangt misschien van je leeftijd af", zegt Van Beekveld. "Maar wij jongeren vinden deze tijd supercool. Het veld ligt helemaal open, we weten niet waar het heen gaat, welke theorie het gaat worden."

Castelijn: "Ben ik het helemaal mee eens. De experimenten worden groter en complexer. Er werken heel veel mensen aan. Heel opwindend."

Stienen: "Ik zou het nog niet de Gouden Eeuw noemen. Dat kun je pas achteraf zeggen. We weten niet of we ergens uitkomen."

Castelijn: "Maar het Higgs-deeltje heeft wel een deur opengezet. We betreden nieuw terrein waar we weer op allerlei deuren zullen stuiten."

Caron: "De volgende deur gaat ons vertellen wat er voorbij het Standaard Model gebeurt. Dat wordt de belangrijkste deur van de eeuw. Maar de vraag is of we hem open krijgen. We weten helemaal niet zeker of ons dat gaat lukken."

Caron probeert het nog één keer: "Stel dat jullie één vraag mogen stellen aan de Master of the Universe. Wat zouden jullie dan vragen? Toch niet wat een eigenschap van het Higgs is? Of wat het neutrino voor een deeltje is? Eén vraag."

Van Beekveld: "Dan zou ik willen weten wat er vóór de Oerknal was. Maar dat is geen natuurkunde meer. Dat is bijna filosofie."

Castelijn: "Als je zo'n vraag stelt, moet je niet opkijken van het antwoord. Misschien zegt ie wel: 42. Maar ik geef toe: er zijn interessante en minder interessante vragen. Als ik een deeltje zou vinden dat niet in het Standaard Model past, zou ik dat heel vet vinden."

Het Standaard Model dankt zijn stevigheid aan zijn symmetrie; van welke kant je het ook bekijkt, de vergelijkingen blijven hetzelfde

Wegwijs

Het Standaard Model verenigt de bouwstenen van alle materie, zoals quarks, elektronen en neutrino's, met de krachten die deze bouwstenen op elkaar uitoefenen, zoals de elektromagnetische kracht. Het model beschrijft en voorspelt alle wisselwerkingen tussen atomaire deeltjes. Het Standaard Model dankt zijn stevigheid aan zijn symmetrie; van welke kant je het ook bekijkt, de vergelijkingen blijven dezelfde.

Er zijn ook problemen. De zwaartekracht past er bijvoorbeeld niet in. Ook mogen de deeltjes in het model geen massa hebben; dan gaat de symmetrie verloren. Maar in onze waarneming hebben deeltjes wél massa. Dat probleem werd opgelost met het Higgs-mechanisme. Populair gezegd maakt dit mechanisme van de ruimte een stroperig veld. Grote - zware - deeltjes worden meer door de stroop geremd en worden dus trager. En traagheid is een vorm van massa.

Het is als met licht in water. De lichtsnelheid in water is kleiner dan die in een vacuüm, alsof het licht vertraagd wordt. Op dezelfde wijze stellen fysici zich voor dat de ruimte is gevuld met een Higgs-veld. 

Zonder dat veld zouden alle deeltjes de lichtsnelheid hebben, maar nu worden ze vertraagd. Hoe groter het deeltje, des te groter de vertraging. Dat is het gewicht van nat licht, grappen ze weleens. Het is de vreemde quantumtheorie die voorschrijft dat bij zo'n Higgs-veld een Higgs-deeltje hoort. De ontdekking van het deeltje in 2012 was het bewijs voor het mechanisme en werd zo het sluitstuk van het Standaard Model.

Groter probleem is dat het Standaard Model slechts 5 procent van het heelal beschrijft. Dat is de zichtbare materie. Daarnaast moet er nog materie zijn die nooit direct is waargenomen. Sommigen speuren in de ruimte naar die donkere materie, anderen proberen zulke materie te maken in versnellers zoals de LHC bij Genève. Zonder resultaat tot nu toe. Ten slotte is er de donkere energie, die 70 procent van de ruimte uitmaakt. Deze donkere energie zorgt ervoor dat het heelal versneld uitdijt, maar fysici hebben geen idee wat hier aan het werk is.

Een idee dat veel oplost, heet supersymmetrie. Het Standaard Model brengt orde aan in twee soorten deeltjes, materiedeeltjes en krachtdeeltjes. In jargon: fermionen en bosonen. Quarks en elektronen bijvoorbeeld zijn fermionen terwijl het foton, dat de elektromagnetische kracht verzorgt, een boson is. Volgens de supersymmetrie heeft elke fermion een hypothetisch maatje in de bosongroep. Die supersymmetrie maakt het Standaard Model een stuk robuuster. Bovendien zou zo'n supersymmetrisch deeltje tegelijk een donker materiedeeltje kunnen zijn. 

Probleem is alleen dat zulke deeltjes nog nooit zijn waargenomen.

Deel dit artikel

Het beeld in de media werkt con­tra­pro­duc­tief voor de wetenschap

Sascha Caron

Mensen hebben er recht op te weten wat er met hun belastinggeld gebeurt

Charles Timmermans

Misschien is het heelal gewoon een rommeltje. Zijn de dingen wat ze zijn, zonder diepere verklaring.

De Duitse natuurkundige Sabine Hossenfelder

Elk experiment draagt bij aan een beter begrip van de wereld en leidt dus naar de theorie van alles

Melissa van Beekveld

De natuurkunde had in dertig jaar tijd een compleet nieuw aanzicht gekregen

Het Standaard Model dankt zijn stevigheid aan zijn symmetrie; van welke kant je het ook bekijkt, de vergelijkingen blijven hetzelfde