Is sneller en groter nog steeds de beste weg naar nieuwe natuurkunde?
Deeltjesversnellers werden steeds sneller en groter, en bleken in de afgelopen eeuw het gereedschap bij uitstek om fundamentele vragen over het universum te beantwoorden. Betekent dat ook dat nóg sneller en groter ons nieuwe antwoorden gaat geven?
De grootste, duurste en meest complexe machine ter wereld ligt in een ringvormige tunnel met een omtrek van maar liefst 27 kilometer. Bij onderzoeksinstituut CERN, op de Frans-Zwitserse grens, bevindt zich de Large Hadron Collider (LHC). Het is een deeltjesversneller die protonen, eenvoudige subatomaire deeltjes, kan opjagen tot ze bijna met de lichtsnelheid (300.000 km/s) door de buis cirkelen en 10.000 rondjes per seconde maken. Dan laten wetenschappers ze in gigantische detectoren op elkaar botsen. In de pure energie die dan voor heel even vrijkomt kunnen allerlei nieuwe deeltjes ontstaan. Die geven natuurkundigen inkijkjes in de fundamentele bouwstenen van ons universum.
Kleine deeltjes opbreken in nog kleinere deeltjes is sinds ruim een eeuw dé modus operandi van natuurkundigen die diepe vragen over ons universum proberen te beantwoorden. Hoe kleiner, hoe fundamenteler, geldt in de deeltjesfysica. Hoe kleiner de deeltjes, hoe meer energie er nodig is om ze zichtbaar te maken. Daarom zijn deeltjesversnellers in de afgelopen eeuw steeds groter geworden. En niet zonder resultaat. Want dankzij deze aanpak is alle bekende materie én zijn drie van de vier natuurkrachten nu heel precies te beschrijven met een beperkt aantal elementaire deeltjes (zie kader).
Het succesvolste model ooit
Het theoretische raamwerk dat al deze deeltjes én hun interacties beschrijft heet het Standaardmodel. In de afgelopen halve eeuw puzzelden natuurkundigen dat model stukje bij beetje bij elkaar. Dat puzzelen volgde een herkenbaar patroon. Theoretici voorspelden vrij nauwkeurig welke deeltjes er moesten bestaan en bij welke energie die in deeltjesversnellers zouden moeten opduiken. Vaak werden daarbij weer nieuwe, onverwachte deeltjes ontdekt. En zo konden theoretici dan weer verder nadenken. Dat begon met de voorspelling (1964) en ontdekking (1968) van quarks, een elementair deeltje waarvan er drie in elk proton bleken te zitten. Het laatste deeltje van het Standaardmodel, het Higgs-deeltje, werd theoretisch voorspeld door Peter Higgs en anderen in een artikel in 1964 en uiteindelijk met de LHC gevonden in 2012. Het Higgs-deeltje is belangrijk, omdat het andere elementaire deeltjes massa geeft.
Met de ontdekking van het Higgs-deeltje werd het Standaardmodel succesvol afgerond. “Op basis van de massa van het Higgs-deeltje kunnen we nu zeggen dat er geen enkele theoretische noodzakelijkheid meer is voor nieuwe deeltjes. Het model is consistent en af”, zegt Koenraad Schalm, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit Leiden. “De ontdekking van de Higgs was een enorm wetenschappelijk succes. Maar er is sindsdien niets nieuws aan het licht gekomen. Het patroon van theoretisch voorspellen en experimenteel bevestigen is nu dus doorbroken. Toch weten we dat er méér te ontdekken moet zijn. Het Standaardmodel verklaart heel veel, maar lang niet alles van wat we om ons heen zien.”
Voorbeelden van grote open vragen zijn er volop. Wat is donkere materie, geheimzinnig spul waarvan astronomen de zwaartekrachteffecten duidelijk zien, maar wat vreemd genoeg volledig onzichtbaar is. Wat is zwaartekracht überhaupt en hoe werkt die op de allerkleinste quantumschaal? En waarom bestaan wij eigenlijk uit materie, terwijl er volgens de theorie net zoveel materie als antimaterie moet zijn. Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten, verdwijnen beide en ontstaat er pure energie. Dat zou een leeg heelal tot gevolg hebben, maar dat is helemaal niet wat we zien. Het Standaardmodel geeft geen antwoorden op deze vragen en andere oplossingen zijn ook niet in zicht.
Wat is er achter de bergen?
“We zijn nu voor het eerst op een punt aangekomen waarop we hoge bergen aan de horizon zien, maar geen concrete aanwijzingen hebben over wat erachter ligt”, zegt theoretisch fysicus Jan de Boer van de UvA. “We tasten op dit moment in het duister”, zegt ook Tristan du Pree van onderzoeksinstituut Nikhef en de Universiteit Twente. “We hebben nu echt een nieuwe aanwijzing nodig. Die moet van de experimentele kant komen, want de theorie vertelt ons niets meer.”
De LHC is grofweg halverwege zijn carrière. De planning is dat hij tot 2040 draait, en voor die tijd zijn nog upgrades gepland. Maar fysici twijfelen of de LHC nog wel iets gaat ontdekken. Plannen voor een opvolger, de Future Circular Collider (FCC), een versneller met een diameter van honderd kilometer en een kostenplaatje dat richting de 20 miljard euro gaat, zijn al in de maak. Waarnaar zou zo’n kolos moeten gaan zoeken, en hoe realistisch is het dat hij de elementaire fysica wél weer vooruit gaat helpen?
Sabine Hossenfelder, een theoretisch natuurkundige verbonden aan het Frankfurt Institute for Advanced Studies, is op zijn zachtst gezegd kritisch. In een veelbekeken video op haar YouTube-kanaal zegt ze dat de argumenten die deeltjesfysici gebruiken om de bouw van een nieuwe gigaversneller te rechtvaardigen vooral bedoeld zijn om onderzoeksgeld binnen te slepen. “We weten helemaal niet of donkere materie wel uit deeltjes bestaat, en zo ja, waar en hoe we dat zouden kunnen vinden. Vragen om miljarden euro’s voor een nieuwe versneller is net zoiets als zeggen ‘ik weet niet waar je autosleutels zijn, maar geef me 10.000 euro, dan kijk ik in mijn koelkast. Dan kunnen we in ieder geval die plaats uitsluiten.”
Een nieuwe versneller gaat ons volgens Hossenfelder ook niets leren over de ware aard van zwaartekracht, en hoe die op quantumschaal werkt. “Zwaartekracht kun je niet aan losse quantumdeeltjes in een versneller meten. Daarvoor is het veel te zwak.” En waarom er schijnbaar meer materie dan antimaterie is? Gewoon, toeval. “Er is helemaal geen goede reden om te denken dat er ooit evenveel van moest zijn.” Hossenfelder onderbouwt haar kritiek grotendeels met een vergelijkbare redenering als die Schalm aanstipt: er is geen harde theoretische reden om te denken dat er nieuwe natuurkunde te vinden is in de hogere energieregionen die een volgende versneller kan bereiken.
Je kunt het geld maar één keer uitgeven
“De houding van Hossenfelder is wel heel cynisch en sceptisch, en ze komt ook niet helemaal onbevooroordeeld over”, reageert Schalm. “Maar het is zeker belangrijk om kritisch te blijven en nu heel goed na te denken over hoe we verder moeten, want we kunnen het beschikbare geld maar één keer uitgeven. Moeten we nu weer alles op alles zetten voor één nieuwe versneller, zoals we bij de LHC deden? Of is het beter om dat geld te spreiden over meerdere, kleinere experimenten? En misschien later, als er wél concrete redenen voor zijn, alles inzetten op een groot apparaat? Dat zijn lastige vragen waarbij de wetenschap altijd leidend moet zijn.”
Kijkend naar de wetenschap denken de fysici dat het weliswaar niet noodzakelijk, maar wel degelijk aannemelijk is dat er nieuwe ontdekkingen te doen zijn met de hogere energie van een nieuwe versneller. Schalm: “We weten dat donkere materie er is. Dankzij specifieke astronomische waarnemingen, zoals die van het Bullet Cluster (een foto van twee botsende clusters van sterrenstelsels, waarbij goed zichtbaar is dat de verdeling van de zwaartekracht anders is dan de verdeling van de zichtbare materie, red.) weten we ook vrij zeker dat het uit onbekende soorten deeltjes moet bestaan. We moeten nu dus proberen te verklaren waarom donkere materiedeeltjes onzichtbaar zijn, en blijkbaar geen interactie hebben met de bekende deeltjes van het Standaardmodel. We zouden ze kunnen vinden door te zoeken naar energie die schijnbaar ‘verdwijnt’ na een botsing. Of misschien hebben ze soms wel interactie met bekende deeltjes, maar zijn die interacties uiterst zeldzaam. Hoe meer botsingen we kunnen maken, hoe groter dan de kans dat we iets zien.”
Ondertussen werkt CERN al concreet aan een haalbaarheidsstudie voor zo’n nieuwe megaversneller, de honderd kilometer lange FCC. Een mogelijk voorstadium daarvan is een ander soort versneller, een zogenoemde ‘Higgs-fabriek’. Het doel is om Higgs-deeltjes te maken en dat belangrijke deeltje nog beter te kunnen onderzoeken. Wat fysici daaruit leren is weer van belang voor de beslissing om al dan niet een grote circulaire versneller zoals de FCC te bouwen. “Het Higgs-deeltje werkt misschien als een soort portaal naar donkere materie”, zegt deeltjesfysicus Tristan du Pree. “Donkere materie is onzichtbaar omdat het geen interactie heeft via de bekende natuurkrachten, zoals elektromagnetisme. Maar het oefent wél zwaartekracht uit. Daarom moet het massa hebben en we weten dat Higgs massa geeft aan elementaire deeltjes. Dus is het geen gekke gedachte dat donkere materie wel interactie heeft met de Higgs. Dan zou je in een versneller uit Higgs-deeltjes donkere materiedeeltjes kunnen maken.”
Op de kleinste schaal kan geen versneller ons helpen
Theoretisch fysicus Jan de Boer is gespecialiseerd in quantumzwaartekracht, de onbeantwoorde vraag hoe zwaartekracht op de extreem kleine quantumschaal werkt. Directe experimenten zijn op deze zogenoemde ‘Planck-schaal’ niet denkbaar met welke aardse versneller dan ook. Daarvoor zou een versneller zo groot als ons zonnestelsel nodig zijn. Daarover maakt De Boer zich ook geen illusies. “Maar sommige aspecten van de theorieën die we nu hebben rond quantumzwaartekracht kunnen we misschien wel testen met een nieuwe versneller. Sommige belangrijke theorieën, zoals de snaartheorie, veronderstellen dat wij met z’n allen op een soort 4-dimensionaal vliegend tapijt zitten, dat zich door een hoger-dimensionale ruimte beweegt. Als dat zo is, dan kunnen we misschien aanwijzingen voor het bestaan van die hogere dimensies vinden. Bij hele hoge energie zou er dan een deeltje van ons vliegend tapijt kunnen schieten. Dat zien we niet direct, omdat wij gebonden zijn aan dat tapijt. We zien dan na een botsing energie in het niets verdwijnen.
“Toen de LHC gebouwd werd lag er een hele concrete theoretische voorspelling, namelijk dat het Higgs-deeltje moest bestaan. Nu zijn we in een gebied aanbeland waar we de theorie nog veel minder goed kennen. Soms is het leuk om van tevoren te weten dat er een pot met goud achter de bergen ligt. Maar ook als je dat niet precies weet, dan zit het nog steeds in de mensheid om te zoeken naar het onbekende. Misschien vinden we iets moois achter de bergen, misschien ook niet. Maar we willen het weten. Dat is nu eenmaal wat wij als fundamenteel onderzoekers doen.”
Van klein naar nog veel kleiner
Een atoom bestaat uit een kern en daaromheen een zwerm elektronen. De kern bestaat uit protonen en neutronen. Een proton heeft de nauwelijks voorstelbare afmeting van minder dan een femtometer (0,0000000000000001 meter). Een miljoenste van een miljardste meter. Protonen en neutronen bestaan weer uit 3 quarks. Die zijn weer vele stappen kleiner dan het proton. Quarks zijn, samen met elektronen, de elementaire bouwsteentjes van alle bekende materie. Elementair wil zeggen dat ze (voor zover we nu weten) niet uit andere deeltjes bestaan. Naast materiedeeltjes zijn er ook deeltjes die natuurkrachten overbrengen, het bekendste daarvan is het foton, dat de elektromagnetische kracht (onder andere zichtbaar licht) overbrengt. Elementaire materie-deeltjes, zoals quarks en elektronen, krijgen massa doordat ze interactie aangaan met het Higgs-deeltje.
Het begon met een proton draaimolen
Het eerste cirkelvormige versnellertje, gebouwd in 1931, kon je in je hand houden. Het ontwerp kwam van Ernest Lawrence en Stanley Livingston van Berkeley University in Californië. Ze noemden hun machientje een ‘proton-draaimolen’. Lawrence en Livingston baseerden zich op de ideeën van de Britse fysicus Ernest Rutherford. Rutherford gebruikte natuurlijke radioactieve deeltjes uit radium (alfadeeltjes) om op atomen te schieten. Hij ontdekte in 1911 dat atomen niet massief en ondeelbaar zijn, maar bestaan uit een positief geladen kern met daaromheen cirkelend negatief geladen elektronen. In 1919 beschoot Rutherford de atoomkern zelf met radioactieve deeltjes. Weer kwamen er kleinere deeltjes vrij, namelijk protonen en neutronen. Om die op te breken moest de energie verder omhoog.
De eerste wetenschappelijke versnellers bestonden uit meerdere vacuümbuizen achter elkaar met fluctuerende elektrische velden. Die velden trekken aan geladen deeltjes, zoals protonen of elektronen, en zo versnellen ze. Maar al snel werd duidelijk dat dit soort ‘lineaire’ versnellers nogal lang en onpraktisch waren om te bouwen. Dus kwam het idee van de draaimolen, of ‘cyclotron’. In een cyclotron gaan geladen deeltjes rond en passeren ze steeds weer hetzelfde elektrische veld waardoor ze sneller en sneller rondgaan. Maar door de ronddraaiende beweging krijgen ze de neiging uit de bocht te vliegen en daarmee verliezen ze energie. Een oplossing is om steeds grotere versnellers te gaan bouwen. Want hoe groter de versneller, hoe minder scherp de bocht en dus hoe minder energieverlies.
Lees ook:
Fysici weten het even niet meer. En dat maakt het spannend
Het is de succesvolste theorie uit de natuurkunde, maar na vijftig jaar moet het Standaard Model op de schop. Fysici weten nog niet hoe. ‘Alsof we een misdaad moeten oplossen waarbij het moordwapen ontbreekt.’