Uw profiel is aangemaakt

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

Slimme computer schiet fysici te hulp: 'Dit is het speelgoed van de toekomst'

Home

Joep Engels

Het computercentrum van de deeltjesversneller in Genève. Het centrum verwerkt ongeveer een petabyte (een miljoen gigabyte) aan data per dag, het equivalent van ruim 200.000 dvd’s. © Getty Images

De speurtocht van fysici naar nieuwe deeltjes lijkt vast te lopen. Het speelveld is te groot voor de mens, zegt de Nijmeegse fysicus Sascha Caron. De computer moet het overnemen.

Het is alsof ik een kist met speelgoed cadeau heb ­gekregen”, zegt Sascha Caron. “Het is allemaal nieuw voor mij. Ik wist niet wat ik ermee kon en elke dag leer ik iets nieuws. Dit is het speelgoed van de toekomst. Hoe mooi is dat?”

Lees verder na de advertentie

Het speelgoed van de natuurkundige van de Nijmeegse Radboud Universiteit is een zelflerende computer. Zelflerende software, om preciezer te zijn, die de wereld de afgelopen jaren al regelmatig versteld heeft doen staan. Het is de techniek waarmee Google onlangs een computer bouwde die de wereldkampioen Go verpletterde. Het zijn de systemen die in ­ziekenhuizen hebben geleerd röntgenfoto’s te beoordelen en die inmiddels menselijke radiologen overtreffen. Met dat soort computers wil Caron nieuwe natuurkunde ontdekken.

Schotel de computer een set data voor, formuleer wat het doel is en laat hem zelf zijn algoritme schrijven

Sascha Caron, natuurkundige

De traditionele speurtocht in de fysica lijkt vast te lopen. Het is al meer dan zes jaar geleden dat het higgsdeeltje werd ontdekt, het ­elementaire deeltje dat het Standaard Model compleet maakte. Fysici weten dat die theorie geen complete beschrijving van de werkelijkheid geeft. Er zijn verschijnselen in de natuur die niet met het Standaard Model kunnen ­worden verklaard.

Zo proberen fysici al decennia de aard van donkere materie te doorgronden. Ze zien aan de beweging van sterrenstelsels dat er meer zwaartekracht aan het werk is dan ze met zichtbare materie – sterren en planeten – kunnen verklaren. Het Standaard Model kent alleen zichtbare deeltjes; er moeten dus buiten dat model deeltjes bestaan die de donkere ­materie vormgeven.

Zo’n deeltje is nooit ontdekt. Niet in de ­versnellers, zoals de LHC bij Genève, noch met detectoren in de ruimte.

Witte ijsbeer

Die zoektocht is ook een stuk lastiger dan in het geval van het higgsdeeltje, zegt Caron. “Toen wisten we waar we naar op zoek waren. We kenden alle eigenschappen van het deeltje, omdat het Standaard Model die voorschreef. We wisten op welke botsingsprocessen we moesten letten, op welke vervalreacties. We wisten alles, behalve zijn massa. Alsof we op zoek waren naar een witte ijsbeer die ergens tussen de honderd en duizend kilo zou moeten wegen. Daar hebben we in Genève twee jaar over gedaan. Nu speuren we naar dieren, maar hebben we geen idee hoe ze eruit zien.”

Nou ja, ideeën zijn er genoeg. Laat dat maar aan de theoretisch natuurkundigen over. Er zijn tal van hypothesen opgesteld om het Standaard Model uit te breiden of bestaande theorieën, zoals de algemene relativiteitstheorie, aan te passen. De supersymmetrie is er één van. Het Standaard Model deelt elementaire deeltjes in twee groepen in, de bosonen en ­fermionen. 

De theorie van de supersymmetrie gaat er vanuit dat elk deeltje zijn zusterdeeltje in de andere groep heeft. De theorie zou een boel van de problemen kunnen verklaren. Zo zou het lichtste supersymmetrische deeltje een goede kandidaat zijn voor de donkere materie, maar zulke deeltjes zijn nog nooit gezien.

Het speelveld is dan ook heel groot geworden, zegt Caron. “Er is niet slechts één supersymmetrische theorie, er zijn heel veel varianten. En er zijn ook andere uitbreidingen van het Standaard Model. Dat geeft heel veel vrijheidsgraden. De vraag is dan: hoe zoek je? Wat is een goede strategie?”

Het is tijd voor een intermezzo. Hoe zoekt een fysicus normaal gesproken? Een deeltjesversneller is voor de natuurkundige wat een microscoop is voor de bioloog. Beide apparaten bieden zicht op processen die zich aan het blote oog onttrekken. In de versneller van Genève botsen deeltjes – protonen, ofwel waterstofkernen – met zeer hoge snelheden op elkaar. In zo’n botsing zit extreem veel energie, waardoor er tijdelijk nieuwe, extreem zware deeltjes kunnen ontstaan. De hoop is dat het bestaan van die deeltjes, of de manier waarop ze uiteenvallen, niet binnen het Standaard Model past. Dan biedt zo’n deeltje zicht op nieuwe natuurkunde, waarmee genoemde ­problemen kunnen worden verklaard.

Het programma zal het deeltje niet zelf ontdekken. Het denkt niet out of the box, het wordt niet slimmer dan zijn makers

Sascha Caron

Maar ja, wanneer is zo’n meting echt af­wijkend? Wanneer duidt het piekje in de grafieken die de versneller produceert, op een ­opmerkelijk fenomeen, wanneer is het een toevalligheid? Caron: “De zoektocht naar het higgsdeeltje was uiteindelijk een tel-experiment. Stel, je ziet in al die data van de versneller honderden botsingen van een bepaald type. En je vraagt je af: stel dat het higgsdeeltje niet bestaat, hoeveel van die botsingen verwacht ik dan? Als dat er dan maar een stuk of vijf ­zouden zijn, heb je iets te pakken.”

Vrijheidsgraden

Dan is de vervolgvraag: hoe zoek je naar zo’n afwijkend piekje? Zelfs als de fysicus een theorie heeft en daarmee op zoek gaat naar een deeltje dat die theorie voorspelt, heeft hij nog veel onzekerheden, veel zogenoemde vrijheidsgraden. Hoe zwaar denkt hij dat het deeltje ongeveer zal zijn, wat is de wisselwerking met andere deeltjes?

Een supersymmetrische theorie heeft zo’n twintig vrijheidsgraden. Twintig knoppen aan de zoekmachine, waar de fysicus eerst aan moet draaien, voordat het echte zoekwerk kan beginnen. En dat werk houdt in: vind een afwijkend piekje in die gigantische bak met ontelbaar veel botsingsdata, die de LHC in ­Genève heeft voortgebracht.

Caron: “Dat piekje hebben we nog niet ­gevonden, maar we hebben die bak niet sys­tematisch afgewerkt. Het is eigenlijk niet eens duidelijk welke fractie we hebben gedaan. Een paar procent misschien. En het artikel dat in 2020 verschijnt en waarin weer een andere theorie wordt geponeerd, hebben we natuurlijk nog helemaal niet getoetst.”

Daarom draait Caron de zaak om. Hij stelt voor niet alleen theorieën te toetsen, maar die hele databak willekeurig door te spitten op ­afwijkingen van het Standaard Model. En dat willekeurig zoeken doet hij niet zelf, maar laat hij over aan computers. Niet aan gewone computers, maar aan zelflerende systemen. “Als je zelf een programma schrijft voor een zoektocht, moet je keuzes maken. Veel collega’s hebben dan toch de neiging in de buurt van hun fysische intuïtie te blijven. Nee, zeg ik, laat de computer het zelf uitzoeken. Schotel hem een set data voor, formuleer wat het doel is, en laat hem zelf zijn algoritme schrijven. Die zijn vaak beter dan onze wetenschappe­lijke programma’s.”

AlphaGo

Die aanpak heeft op andere terreinen zijn waarde getoond. Een paar jaar geleden toonde AlphaGo, de zelflerende Go-computer van Google, zich superieur aan zijn menselijke ­tegenstanders. AlphaGo was slechts verteld wat de regels en het doel van het spel waren. En had zichzelf daarna de winnende strategieën en kneepjes geleerd door vele duizenden oefenpotjes tegen zichzelf te spelen.

Op de dag van het gesprek is Caron op het Netherlands eScience Center in Amsterdam, waar data- en softwarespecialisten onderdak hebben gevonden. Hij is hier voor een workshop om met de experts te bespreken welke datatechnieken het meest geschikt zijn voor zijn doel. Zelflerende systemen hebben in de afgelopen tien jaar een geweldige vlucht genomen, vertelt hij, waardoor ze op tal van wetenschapsterreinen toepasbaar zijn. “Overal waar men met veel data werkt. Sterrenkunde, bio­logie, klimaatwetenschap. Dit centrum cre­ëert een platform voor deze wetenschappers om hun systemen te bouwen.”

Intussen heeft hij zelf een gemeenschap ­gecreëerd rond zijn eigen specialiteit, de donkere materie. 170 collega’s hebben zich aangesloten en leveren data voor zijn zoekmachines. En onlangs beschreef hij de eerste resultaten van een geautomatiseerde zoektocht in het ­data-archief van de Geneefse versneller.

Wat was het resultaat van die zoektocht? ­Hebben jullie inmiddels een afwijking ge­vonden?

“Nee, maar ho eens even, dat was een grote doorbraak in de natuurkunde geweest. Zo een die maar eens in de dertig, veertig jaar voorkomt. Ik hoop dat we met deze aanpak de zoektocht versnellen, zodat ik die doorbraak nog mag meemaken. Niettemin, we hebben nu wel een deel van de zoekruimte uitgesloten.”

En als de computer wel iets vindt, wat dan?

“Dan heb je een afwijking. Dan kun je eerst onderzoeken of dat piekje in een andere dataset gehandhaafd blijft. En als dat zo is, moet je een supersymmetrie of een andere theorie verzinnen, waarin die afwijking past.”

Stel dat het lukt? Krijgt de computer dan de Nobelprijs voor natuurkunde voor de ­ontdekking van een donker materiedeeltje?

“Dat lijkt me niet. Het programma zal het deeltje niet zelf ontdekken. Als het neutralino, het lichtste supersymmetrische deeltje, niet in zijn trainingsprogramma zit, zal de computer dat er ook niet uitvissen. Het enige wat we doen, is de zoektocht versnellen door hem ­optimaal te automatiseren. Het programma denkt niet out of the box, het wordt niet ­slimmer dan zijn makers.”

Niettemin, het blijft een vreemd idee dat een systeem dat niets van natuurkunde begrijpt, het vakgebied vooruit gaat helpen.

“De kracht zit hem in de samenwerking. Aan dit programma werken mensen mee die veel van data weten. Anderen hebben verstand van donkere materie, en weer anderen van zelflerende systemen. De computer bundelt die kennis en creëert een soort virtuele persoon die inderdaad slimmer is dan de afzonderlijke deelnemers. En sneller zoekt.”

Een botsingsexperiment in de deeltjesversneller LHC. Hier ging het om de zoektocht naar ­microscopisch kleine zwarte gaten. © Thomas McCauley

Gaten in het standaarmodel

Het Standaard Model is de theorie die beschrijft hoe de bouwstenen van de materie, zoals quarks en elektronen, zich verhouden tot de deeltjes die de krachten onderhouden, zoals het foton dat zorg draagt voor de elektromagnetische kracht. De theorie is buitengewoon succesvol, ze voorspelt interacties tot op vele cijfers achter komma.

Maar er zijn ook onbeantwoorde vragen. De zwaartekracht past niet goed in het Model, het is onduidelijk waarom deze kracht zoveel kleiner is dan de kernkrachten. En waarom hebben al die deeltjes zulke verschillende massa’s?

Ook op kosmische schaal zijn er openstaande vragen. De materie die het Standaard Model beschrijft, maakt slechts 5 procent van alle massa in het heelal uit. De rest is onzichtbaar, maar oefent wel krachten uit. Donkere materie houdt bijvoorbeeld sterrenstelsels bijeen; als alleen de zichtbare sterren aan elkaar zouden trekken, werden de buitengebieden van de ronddraaiende stelsels weggeslingerd. Nog mysterieuzer is de donkere energie die het heelal versneld laat uitdijen. De aard van deze energie is volkomen duister maar zij is wel 70 procent van alle energie in het universum.

Een idee dat veel oplost, heet supersymmetrie. Volgens deze theorie hebben alle materie- en krachtdeeltjes – in jargon: fermionen en bosonen – een tegenhanger in de andere groep. Zo zou er bijvoorbeeld naast het foton, dat de elektromagnetische kracht verzorgt, een fotino moeten zijn. 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.

Lees ook:

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

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.'

Deel dit artikel

Schotel de computer een set data voor, formuleer wat het doel is en laat hem zelf zijn algoritme schrijven

Sascha Caron, natuurkundige

Het programma zal het deeltje niet zelf ontdekken. Het denkt niet out of the box, het wordt niet slimmer dan zijn makers

Sascha Caron