De opstart van de Large Hadron Collider (LHC) op 10 september markeert het begin van een nieuwe periode in de natuurkunde van het allerkleinste. Deeltjesfysici gaan in het onbetreden energiegebied van de teraelektronvolts op zoek naar antwoorden op fundamentele vragen. Het gevierde ‘standaardmodel’ staat voor zijn lakmoestest. De Nederlandse Nobellaureaat Martinus Veltman is een van die briljante geesten die de meest succesvolle theorie uit de natuurkunde hebben opgebouwd.
Dit artikel verscheen eind 2008 in Eos wetenschap.
Woensdag 10 september was LHC-dag. Wereldwijd zagen naar schatting een miljard tv-kijkers de beelden van juichende en elkaar omhelzende natuurkundigen, samengepakt in een controlekamer in het Europese Laboratorium voor Deeltjesfysica CERN bij Genève. De natuurkunde, de moeder aller wetenschappen, had nog nooit zo’n hoge kijkcijfers. De Large Hadron Collider is de krachtigste deeltjesversneller in de wereld en het duurste wetenschappelijke experiment ooit. Gelukkig verliep de officiële start vlekkeloos. Maar de zenuwachtigheid bij de fysici en ingenieurs van het CERN was wel op zijn plaats. Voor een zwart gat waren ze natuurlijk niet bang, maar voor een aards defect des te meer. Amper 36 uur na de succesvolle start vatte een transformator vuur en lag de LHC alweer stil. En op vrijdag 19 september smolt een elektrisch circuit tussen twee supergeleidende magneten. Omdat die voor reparatie eerst moeten worden opgewarmd, en daarna weer afgekoeld tot net boven het absolute nulpunt, is de LHC nog tot de lente van 2009 buiten werking.
Martinus Veltman: ‘De LHC is geen machine die je van de ene dag op de andere zomaar ‘aan’ zet. Men is drie maanden al geleden begonnen met het afkoelen van de supergeleidende magneten in de tunnel tot 271 graden onder nul. Vervolgens heeft men een trage, laagenergetische protonenbundel stelselmatig door de verschillende segmenten van de tunnelring gestuurd. Een stap-voor-stapkalibratieproces zeg maar.’
Veltman won samen met zijn landgenoot en vroegere leerling Gerard ’t Hooft in 1999 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de renormalisatie van de elektrozwakke theorie. In begrijpelijker taal: beide Nederlanders ontdekten via een ingewikkelde analyse aan welke eisen een theorie moet voldoen om als realistische theorie in aanmerking te komen. Op grond daarvan onstond het standaardmodel, een theorie van de elementaire deeltjes en een krachtig instrument om de eigenschappen van de subatomaire wereld uit te rekenen. Dat standaardmodel kan dankzij de nieuwste en krachtigste deeltjesversneller LHC verder uitgewerkt worden.
De perslui van CERN hebben hun werk behoorlijk gedaan. De LHC was overal ter wereld top of the news. Wat denkt u bij die plotse belangstelling voor deeltjesfysica?
‘Dat komt natuurlijk door al die onzin over zwarte gaten en antimaterie. Niet alleen de populaire media, die deze verhalen hebben opgeblazen, hebben boter op het hoofd. Een aantal natuurkundigen heeft er bewust voor gekozen de man in de straat met spektakelfysica te vermaken. Waarom moest de oerknal er per se worden bijgehaald? Ik weet trouwens precies waar die onzin is begonnen. In Fermilab in Chicago (de Amerikaanse tegenhanger van het CERN, red.) werd in de jaren 1980 door de directie aangestuurd op een samenwerking van de deeltjesfysica met de astrofysica, een vruchteloze poging trouwens als je het mij vraagt. Plots kregen begrippen uit de kosmologie zoals ‘zwart gat’ en ‘oerknal’ een plaats in ons vakgebied. En daar oogsten we nu de vruchten van. Ik lees overal dat de LHC ‘de omstandigheden van de eerste seconden na de big bang nabootst’, wat helemaal niet zo is. Dan krijg je natuurlijk van die einde-van-de-wereldverhalen. Een brede belangstelling voor ons vakgebied vind ik fantastisch, maar we mogen die niet bekomen door de mensen fabeltjes wijs te maken.’
Wat zegt u tegen iemand die geen diploma natuurkunde heeft, maar wel wil weten wat het doel is van de experimenten met de LHC?
‘Als deeltjesfysicus wil ik weten wat de elementaire deeltjes zijn waaruit alle materie en energie in het universum is opgebouwd, hoeveel dat er precies zijn en vooral welke eigenschappen ze hebben. That’s it. Die nieuwsgierigheid is niet nieuw, ze ligt aan de basis van ons vakgebied en heeft ons het standaardmodel opgeleverd. Het concept van de LHC is al even belegen: de machine is gewoon de nieuwste in een lange rij van steeds krachtigere deeltjesversnellers. Stel je voor: de tunnelring van de LHC heeft een diameter van 27 kilometer, de eerste versneller of ‘cyclotron’ uit de jaren 1930 was maar zo groot als een compact disc. Toch werken ze volgens min of meer hetzelfde principe.’
De LHC zal deeltjes produceren bij nooit geziene energieën, men spreekt van de ‘teraschaal’. Vormt het Higgs-boson de hoofdattractie op de kermis van de kleine deeltjes, of valt er nog meer te ontdekken?
‘Laat mij eerst een misverstand uit de weg ruimen. De LHC is niet speciaal gebouwd voor de ontdekking van het Higgs-deeltje. Het is gewoon een erg krachtige deeltjesversneller waarmee we botsingen tussen protonen veroorzaken, en dit bij energieën van een tiental tera-elektronvolt (TeV). Een hogere energie bij de botsing betekent dat er zwaardere deeltjes kunnen ontstaan. Met de vorige protonversneller in CERN (de SPS-versneller) hebben we zo de Zen W-bosonen kunnen detecteren, de deeltjes die de zwakke kernkracht overbrengen. Om deze massieve deeltjes te kunnen vinden, voorspelde het standaardmodel een botsingsenergie van meer dan 600 keer de massa van het proton. En die verkregen we pas in het begin van de jaren 1980, toen we in de SPS-versneller voor het eerst twee elektronenbundels frontaal tegen elkaar lieten botsen, in plaats van een deeltjesbundel op een stilstaand doel te richten.
‘Niemand weet wat er naast Higgs nog op ontdekking ligt te wachten’
Door die nieuwe configuratie van de versneller kwam er plotsklaps dubbel zoveel energie beschikbaar, en vonden we de Zen W-deeltjes. Maar in Fermilab werd met een soortgelijke versneller, de Tevatron een ander deeltje gevonden, de top-quark, die ook in de theorie paste maar die niet genoemd was in het ontwerp van de machine. Hetzelfde draaiboek wordt nu opnieuw gebruikt, alleen op een veel hogere energieschaal. De versneller heet nu LHC, en het nog te ontdekken, theoretisch voorspelde deeltje het Higgs-boson. Niemand weet wat er naast Higgs nog op de teraschaal op ontdekking ligt te wachten. We kijken dus gewoon wat eruit komt. Belangrijk daarbij is dat we de elementaire deeltjes van de niet-elementaire kunnen onderscheiden. Zijn ze een gebonden toestand, of staan ze op zichzelf?’
Als Higgs wordt gevonden kan de ‘H’ in potlood in de kolom ‘bosonen’ van het standaardmodel eindelijk worden overschreven met inkt. Is de theorie dan meteen ook af?
‘Zolang er vragen onbeantwoord blijven, is een theorie niet af. Ook al is de tabel helemaal ingevuld met de elementairste bouwstenen van de materie en de natuurkrachten, dan nog weten we niet waarom er bijvoorbeeld drie generaties van quarks en leptonen (de materiedeeltjes) zijn. Waarom net drie? Het is zoals met de Tabel van Mendeljev: honderd jaar geleden wist ook niemand waarom er niet veel meer dan 90 natuurlijke elementen waren. Tot de kernfysica ons leerde dat atomen gebonden toestanden zijn die onstabiel worden naarmate er meer protonen en neutronen in de kern zitten. Nog zo’n mysterie vormen de massa’s van de quarks en de leptonen. Waarom verschillen die zo sterk van elkaar? Deze massa’s spelen in het standaardmodel de rol van ‘vrije parameters’: ze kunnen eender welke waarde bezitten. Kortom, we hebben geen idee waar dat vandaan komt.’
‘De mogelijkheid bestaat dat de LHC de verwarring alleen nog groter maakt, door ons materiedeeltjes van een mysterieuze vierde generatie voor te schotelen. Vóór de ontdekking van het tau-lepton (dit deeltje is een 1400 keer zwaardere versie van het elektron) in de jaren zeventig kenden we maar twee generaties. De theorie en de experimenten wijzen er niet op, maar we kunnen een eventuele vierde generatie niet uitsluiten.’
In België wordt er zowaar gespeculeerd over een (eerste) Nobelprijs natuurkunde. Wat zijn de kansen van François Englert en Robert Brout, die samen met Peter Higgs het Higgs-mechanisme bedachten?
‘Als het Higgs-deeltje wordt gevonden, zal er in Stockholm zeker een belletje gaan rinkelen. En het zal dan ook niet zo lang duren vooraleer ze die Nobelprijs krijgen. Maar het is niet zo dat er in de deeltjesdetectors van de LHC een groene lamp aanschiet als het Higgs-boson wordt gespot. Het deeltje onderscheidt zich van de andere deeltjes van het standaardmodel doordat het bepaalde eigenschappen heeft, zoals een massa, spin en lading, die de identiteitskaart van een deeltje vormen. Al die eigenschappen moeten een voor een worden gecheckt en gedubbelcheckt. Misschien vinden we wel verschillende soorten van Higgs-deeltjes. Wie weet? Ik acht de LHC in ieder geval krachtig genoeg om een tipje van de sluier over het Higgsmysterie te lichten. Maar om het helemaal te ontsluieren hebben we eigenlijk nog een krachtigere machine nodig. Een versneller van het type LEP (de vorige versneller in het CERN, red.) die elektronen met positronen laat botsen, maar dan bij veel hogere energieën. In de LHC botsen immers protonen, dus ‘zakjes’ met quarks tegen elkaar, waardoor er enorm veel ‘rommel’ ontstaat – in de vorm van alle mogelijke quarkcombinaties. De LHC is daardoor als ‘microscoop’ iets te troebel om alles over het Higgs-deeltje te weten te komen. Bij botsingen tussen elektronen heb je dat niet. In de LEP-versneller waren er maar tien botsingen per dag, in de LHC zullen dat er per seconde één miljard zijn. En daar kunnen er telkens maar een paar uit worden geselecteerd. Misschien komt die krachtige elektronenversneller er ooit. De plannen voor de ILC, de International Linear Collider en de CLIC, de Compact Linear Collider, liggen al op tafel. Beide versnellers zouden de antwoorden kunnen leveren die zelfs de LHC ons niet kan vertellen.’
En als Higgs niet wordt gevonden, blijft er van het standaardmodel dan nog iets heel?
‘In ieder geval zit de deeltjesfysica dan met een ernstig probleem. Maar dat wil niet zeggen dat we het standaardmodel in zijn geheel moeten verwerpen. Het moet dan alleen nog beter en verder worden uitgewerkt. Met Newtons gravitatiewet lukt het ons toch ook nog altijd om de planetenbanen nauwkeurig uit te rekenen, ook al toonde Einstein een eeuw geleden aan dat de theorie van Newton verre van klopte? Overigens leidde die herziening slechts tot minutieuze correcties van de planetenbanen. Zo gaat het ook met het standaardmodel, het wordt steeds verder geraffineerd. Maar alles uitgommen en van vooraf aan beginnen: daar kan geen sprake van zijn. Daarvoor zijn er teveel positieve tests van het standaardmodel uitgevoerd in diverse deeltjesversnellers.’
‘We kunnen de snaartheorie op geen enkele manier testen. Wat moeten we er dan mee?’
Zijn quarks, de meest elementaire bouwstenen van de materie, ooit rechtstreeks waargenomen?
‘Waarnemen is, zeker in de deeltjesfysica, een dubbel begrip. Wie heeft er ooit al eens een elektron gezien? Laat staan een individueel, ‘vrij’ elektron? Toch denken de meeste mensen dat elektronen echt bestaan. Dat komt omdat we het bestaan van elektonen ‘aannemen’ uit een aantal onrechtstreekse waarnemingen. En zo is het ook met quarks. Waarnemingen in de deeltjesfysica gebeuren altijd indirect. Bovendien is het uitgesloten dat we ooit een individueel, ‘vrij’ quarkdeeltje kunnen detecteren, want quarks komen alleen voor in elkaars gezelschap, in pakketjes. Dat is een gevolg van de bijzondere eigenschap van de sterke kernkracht die vreemd genoeg niet afneemt op grotere afstand. Het is alsof twee magneten elkaar van op kilometers afstand even sterk aantrekken dan wanneer je ze tegen elkaar houdt. Ik geef toe dat ik vroeger zelf ook niet geloofde in quarks, maar naderhand werden de bewijzen zo overweldigend dat ik niet anders kon.’
Deeltjesversnellers zijn erg dure wetenschappelijke instrumenten. Wat heeft iemand aan het standaardmodel als hij er niets van snapt?
‘Als je het echt over begrijpen wil hebben, hebben we de deur naar de natuurkunde achter ons dichtgeslagen, en zijn we in de filosofie beland. Dan moet je jezelf de vraag stellen wanneer je echt meent iets te begrijpen.’
Als ik mijzelf iets voor de geest kan halen, er een beeld van kan vormen, dan ben ik al een eind op weg. Dat kan ik niet met een quark of een Higgs-boson.
‘Stel je eens een elektron voor. Ik ben er zeker van dat jij niet hetzelfde ziet als ik. Jij ziet waarschijnlijk een harde knikker, maar ik niet. Dat komt doordat mijn manier van denken zwaar is beïnvloed door de theorieën die ik mezelf eigen heb gemaakt. Vijftig jaar geleden, toen ik voor het eerst in contact kwam met de kwantummechanica, had ik ook jouw beeld van een deeltje. Maar stelselmatig heeft dit beeld zich gemodelleerd naar de kwantummechanica, ook al geeft die theorie niet precies aan hoe een deeltje er dan wel uitziet. Bij mij beschrijven deeltjes nooit precieze, welbepaalde banen in de ruimte, en ik denk ook niet aan een scherp omlijnd balletje, meer aan een vaag punt.’
‘Maar in de praktijk wordt aan zulke beschouwingen weinig aandacht besteed, want je schiet er niets mee op. Als deeltjesfysici zeggen dat ze iets begrijpen, dan betekent dat dat ze de eigenschappen ervan kunnen uitrekenen, zoals de waarschijnlijkheid dat een deeltje zich in een bepaald gebied van de ruimte bevindt.’
Is er in een fysicalab überhaupt plaats voor filosofische overpeinzingen?
‘Jawel hoor. Daar ontsnapt niemand aan. Als ik ’s nachts niet kan slapen, dan lig ik daarover wel eens te piekeren. Maar besef goed dat dit soort filosofie – hoe leuk het ook is om erover te praten – je zelden of nooit verder brengt in de wetenschap. Ik heb in mijn kast turven van boeken vol filosofische beschouwingen over de kwantummechanica. Die kan ik net zo goed weggooien, daar verlies ik niets mee. In de deeltjesfysica heb ik geleerd dat je nieuwe dingen ontdekt door wiskundige vergelijkingen neer te schrijven, en door heel veel experimenten te doen. Deze vorm van wetenschap is erg solide. Je kan de resultaten in een boek zetten en de volgende kan ermee verder. Dat heb je met filosofie nooit. Jij en ik kunnen de hele dag zitten kletsen, maar aan het eind zijn we niets opgeschoten.’
Hoort de snaartheorie, waarin het standaardmodel met de zwaartekracht verenigd is in een tiendimensionale ruimte, thuis in de categorie ‘filosofisch gezwets’?
‘Er is inderdaad nog geen enkel bewijs dat de snaartheorie ook maar ergens op slaat. Met andere woorden: ze heeft – tot nu toe – niets met de werkelijke natuur te maken. En dan verlies ik mijn belangstelling. Overigens hebben de snaartheoretici ons verzekerd dat, wat er ook gevonden wordt met de LHC, dat niets met hun theorie te maken kan hebben. We zullen dus geen hogere, onbekende dimensie vinden in het CERN. Het probleem is dat de snaartheorie de voorbije tien jaar een eigen, wiskundig leven is gaan leiden. Stilaan is ze uitgegroeid tot een soort van culttheorie. Maar we kennen geen enkele manier om de snaartheorie te testen in het lab. Dus wat moeten we er dan mee? Als ik niet weet wie er in het huis naast me woont, als er al iemand woont, en ik weet geen manier om daar achter te komen – ik raak bijvoorbeeld niet buiten – dan verlies ik mijn belangstelling voor mijn hypothetische buurman.
Abstracte theorieën verstoken van enige experimentele toetsing zoals de snaartheorie krijgen u niet warm. Maar ook aan de astronomie hebt u een broertje dood. U gelooft zelfs niet in zwarte gaten...
‘Vraag een astronoom maar eens hoe zeker hij is dat hij ooit al eens een zwart gat heeft waargenomen. De astronomie is een nogal vreemde discipline in de natuurkunde. Ze mist een van de fundamentele pijlers die andere vakgebieden zoals de deeltjesfysica, net zo solide maken, namelijk het experiment. En belangrijker: de reproduceerbaarheid van experimenten. Ooit al gehoord van een astronoom die een experiment opzet? Het enige wat hij kan doen is kijken naar de hemel. En ziet hij iets nieuws, dan komt hij met een theorie op de proppen die verklaart hoe het allemaal in elkaar zit. Maar wat ontbreekt, is de controle daarna of die theorie wel juist is. De natuurkunde is stevig gegrondvest op reproduceerbare experimenten. Maar supernova’s en dergelijke zijn niet van op afstand te programmeren. In de LHC werden twee volledig onafhankelijke deeltjesdetectors ingebouwd (CMS en ATLAS), die min of meer naar hetzelfde op zoek gaan. Zo leggen we onze eieren niet in één mand. Als de ene detector Higgs ziet voorbijvliegen, dan moet de andere het deeltje ook vinden. De deeltjesfysica is doordrongen van het reproduceerbare experiment.’
En waarom zijn er dan geen zwarte gaten?
‘In de astronomie beschikt men nog niet eens over één goed experiment. Als een astronoom zegt ‘Daar zit een zwart gat’, hoe weet hij dat dan? Als hij een zwart gat definieert als een bepaalde hoeveelheid massa die vervat zit binnen een bepaalde straal – de Schwarzschildstraal – en je neemt aan dat de theorie van Einstein klopt, dan heeft hij gelijk dat je er een zinvolle zoektocht naar kan ondernemen. Zo heeft men in het universum een aantal goede kandidaten voor zwarte gaten weten te ontdekken. Maar klaarblijkelijk zit er op de Schwarzschildstraal een foutenmarge van een factor duizend! Dan komt zelfs de zon in aanmerking als kandidaatzwart gat. Als je gewend bent te werken met de maatstaven van de deeltjesfysica, is het bestaan van zwarte gaten dus nooit bewezen. Je hoeft er dus niet in te geloven, als je daar geen zin in hebt.’
