Donkere_materie___superdeeltjes

7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes

1/52

DOSSIERS

FYSICI OP ZOEK NAAR EEN

THEORIE VAN ALLES

Donkere materie &

superdeeltjes


2/52

Om te begrijpen hoe de kosmos in elkaar

zit, kijken wetenschappers niet alleen

ver weg de ruimte in. Ze bestuderen ook

de allerkleinste deeltjes. Kosmologen

krijgen de hulp van deeltjesfysici om de

grote kosmologische vragen te beant-

woorden en om mysterieuze fenomenen

zoals donkere materie te kunnen verkla-

ren.

De Large Hadron Collider(LHC) is een

gigantische deeltjesversneller, de groot-

ste ter wereld, waarmee fysici deeltjes

kunnen bestuderen en ontdekken. De

versneller bevindt zich in een cirkelvor-

mige tunnel van maar liefst 27 kilometer

lang, 150 meter onder de grond bij de

Zwitserse stad Genve.

Een cruciaal deeltje is het Higgsbo-

son, dat vijftig jaar geleden door onder

andere de Belgen Franois Englert en

de in 2011 overleden Robert Brout werd

voorspeld. In 2012 werd het deeltje ook

daadwerkelijk ontdekt, en een jaar later

ontving Englert de Nobelprijs Fysica.

Nu de euforie over de ontdekking van het

higgsdeeltje is geluwd, stijgt de span-

ning opnieuw in het Europees Centrum

voor Kernonderzoek (CERN) in Genve.

Na een pauze start in 2015 de deel-

tjesversneller opnieuw op en begint de

zoektocht naar onder meer donkerematerie en superdeeltjes, en de ont-

brekende puzzelstukken in een theorie

die alle natuurkundige fenomenen kan

verklaren.

Al decennialang werken fysici aan een

prachtige theorie die ons een diepgaan-

der inzicht in de kwantumwereld be-

looft. Vandaag staan ze voor een twee-

spalt: bewijzen dat de theorie juist is, of

geconfronteerd worden met een histori-

sche ommekeer in de paradigmas.

IN HET KORT


3/52

DEELTJESVERSNELLER

NIEUWE ZOEKTOCHT

ONTWAAKT


4/52

Voor elke deeltjesfysicus zal het jaar 2012 in het geheu-

gen gegrift blijven als het jaar van de ontdekking van

het higgsdeeltje. De ATLAS- en CMS-experimenten aan de

deeltjesversneller hebben hiervoor een huzarenstukje uitge-

voerd. We hebben protonen laten botsen bij enorme energie-

en en deze botsingen zo nauwkeurig opgemeten dat we uit de

immense hoeveelheid gegevens enkele gebeurtenissen kon-

den filteren die duidden op het bestaan van een nieuw deeltje.

Na grondige studies hebben we in 2013 kunnen aantonen dat

het inderdaad om het higgsdeeltje ging, waarvan Franois En-

glert, Robert Brout en Peter Higgs in de jaren 1960 het be-

staan voorspelden. Het was het sluitstuk voor het standaard-

model van de deeltjesfysica.

Het was een fantastische mijlpaal, maar niet het einde van het

wetenschappelijk programma met de Large Hadron Collider

(LHC). We plannen de structuur van de materie nog dieper

te bestuderen en hopen nieuwe kennis te verzamelen in een

energiegebied waar we nog nooit experimenten gedaan heb-

ben.

Botsingskoorts

Bijgevolg stijgt de spanning alweer op het CERN. Na enkele

jaren van technologische aanpassingen aan de instrumenten

zullen we in maart klaar zijn om voor het eerst bundels proto-

nen te versnellen tot 6,5 Tera elektronvolt (TeV). We verwach-

ten om al in mei dit jaar deze bundels met elkaar in botsing te

brengen, om een botsingsenergie van twee maal 6,5 TeV of 13

TeV te bekomen. Ter vergelijking: we hebben het higgsdeeltje

ontdekt in botsingen van 8 TeV. We zullen dit record dus sterk

verbeteren.

Een grotere energie van de deeltjesbundels vraagt ook sterkere

magnetische velden om de deeltjes in de versneller op hun cir-

kelvormige traject te houden, 27 kilometer lang en tientallen

meters onder de grond. Daarvoor hebben we dan weer grotere

elektrische stromen nodig in de supergeleidende kabels van

de magneten die we tot 1,9 graden Kelvin koelen. Als we op

een veilige manier de stroom willen opdrijven tot 11.000 am-

pre, moeten we alle mogelijke verbindingen van die kabels

grondig controleren. Het is maar een van de vele zaken die

de voorbije twee jaar is gebeurd. Dergelijke wetenschappelijke

instrumenten zijn steeds hun eigen prototype. Hetzelfde toe-

stel wordt gebruikt voor zowel de testen, de effectieve metin-

gen en is tegelijk het laatste van zijn serie.

In de protonbotsingen creren we interacties tussen deeltjes

net zoals die er waren een fractie van een seconde na de Oer-

knal, zo ongeveer 0,0000000000001 seconden na de oer-

knal. De stap van 8 naar 13 TeV-botsingen laat ons toe om

nog wat dichter te gaan bij de oerknal om er nog een nul na

de komma bij te zetten. We proberen uit te zoeken of er toen

onbekende fenomenen waren die na het afkoelen van het uni-

versum niet meer zichtbaar zijn. Dergelijke nieuwe inzichtenzullen ons op weg helpen naar een Theory of Everything, de

droom van Einstein, en recent ook de titel van een film over

theoretisch fysicus Stephen Hawking. De droom om alle fun-

damentele interacties van zwaartekracht tot kwantumfysica te

beschrijven in eenzelfde formule leeft ook vandaag nog.

Van experiment naar theorie, en terug

Elke theorie is een creatie van de mens om vanuit bepaalde

principes de fenomenen in de natuur te modelleren. Een expe-

rimenteel resultaat is daartegenover een wetenschappelijk feit

waaraan elke modellering van de natuur moet voldoen. Aan

de ene theorie kan men meer geloof hechten dan aan een an-

dere, bijvoorbeeld omdat ze nauwkeuriger overeenkomt met

Nu de euforie over de ontdekking vanhet higgsdeeltje is geluwd, stijgt despanning opnieuw in het Europees

Centrum voor Kernonderzoek (CERN) inGenve. Na een pauze start in maart dedeeltjesversneller opnieuw op en begintde zoektocht naar onder meer donkere

materie en superdeeltjes.Jorgen DHondt


5/52

de experimentele bevindingen en/of omdat de onderliggende

principes van de theorie eenvoudiger zijn. De kracht van een

experimenteel resultaat zit in de nauwkeurigheid of precisie

van het resultaat. De symbiose van beide onderzoeksdomei-

nen is net de plaats waar wij als onderzoekers de puzzelstuk-

jes samen leggen en tot nieuwe inzichten komen. Momenteel

staat onze boekenkast vol met verschillende theorien. De

volgende jaren zullen we met de LHC een reeks unieke expe-

rimentele resultaten bekomen die waarschijnlijk een deel van

de theorien in die boeken zullen weerleggen, en misschien

vinden we wel fenomenen waarover we nieuwe boeken moe-

ten schrijven.

Vele van de theoretische boeken in onze kast staan vol met

supersymmetrische modellen. Dat zijn modellen waar elk

deeltje in het standaardmodel een supersymmetrisch spie-gelbeeld heeft. Met sommige van deze superdeeltjes kunnen

we mogelijk het mysterie van donkere materie oplossen een

hypothetisch soort materie waaruit 27 procent van het heelal

zou bestaan. En een supersymmetrische uitbreiding van het

standaardmodel zou de theorie wiskundig eleganter en con-

sistenter maken.

Tot nu toe hebben we nog geen superdeeltjes gevonden, maar

de heropstart betekent een belangrijke stap in deze zoektocht.

Als we de komende jaren geen aanwijzingen vinden voor

het bestaan van die supersymmetrische fenomenen, moet ik

waarschijnlijk plaats maken in mijn boekenkast voor nieuwe

theorien.

De juistheid testen van een mogelijke Theory of Everything

ligt nog niet binnen de vooruitzichten, maar met de komende

botsingen bij een energie van 13 TeV zullen we uiteraard de

juistheid van het standaardmodel verder testen, en de eigen-

schappen van het higgsdeeltje nauwkeuriger opmeten. Het

higgsdeeltje moet volgens het standaardmodel interageren

met alle massieve deeltjes. We hebben nog geen direct bewijs

voor de koppeling van higgsdeeltjes aan topquarks, de zwaar-

ste elementaire deeltjes die we vandaag kennen. In de nieuwe

botsingen zullen we deze processen zoeken en nauwkeurig

opmeten. Dat is een enorme uitdaging, want hiervoor zullen

onze verschillende detectoren en alle zelf ontworpen algorit-

men om de botsingen te reconstrueren optimaal moeten func-

tioneren.

Experimentele uitdagingenEen essentile uitdaging is het ontwikkelen van de juiste

trigger-algoritmen. We voorzien een botsingsfrequentie tus-

sen de protonpakketten van 40 miljoen gebeurtenissen per

seconde, met in elke gebeurtenis tientallen protonbotsingen

tegelijk. Hieruit komen honderden deeltjes die we allemaal

tegelijk met onze detectoren moeten opmeten. De CMS-de-

tector heeft ongeveer 100 miljoen individuele cellen waar we

deeltjes mee observeren, zoiets als een fototoestel met 100

megapixels. Maar dan wel een fototoestel dat 40 miljoen fo-

tos per seconde moet nemen. Onze toestellen kunnen slechts

n gebeurtenis per 100.000 selecteren en op harde schijf

bewaren voor verdere analyse. Dat zorgt al voor enkele hon-

derden megabytes aan informatie per seconde. Kiezen welke

Proton-

protonbotsing

zoals opgemeten

door het CMS-

experiment.

Vier hoog

-energetische

elektronen zijn

zichtbaar (groene

lijnen in de

spoordetector en

rode blokken in de

calorimeter).


6/52

gebeurtenis er wordt opgeslagen, moet op 0,000001 seconde

tijd gebeuren, via selectie-algoritmen. Het ontwerpen van de

juiste algoritmen is dus van cruciaal belang. Want als de ver-

keerde botsingen op harde schijf terechtkomen, zullen onze

analyses niet veel ontdekken.Zelf hoop ik vooral dat we het mysterie van donkere materie

kunnen ontrafelen. We weten dat er ongeveer vijf keer meer

donkere materie in ons universum zit dan materie die we met

quarks en leptonen kunnen beschrijven. Vandaag hebben we

bijzonder veel theoretische ideen over wat die donkere ma-

terie kan zijn, maar experimenteel hebben we geen sluitend

bewijs. Als we de natuur juist inschatten, hebben we in de

komende jaren de mogelijkheid om met de deeltjesversneller

donkeremateriedeeltjes te produceren, en met de CMS-detec-

tor te bestuderen. Maar we weten uiteraard niet of de natuur

haar geheimen zal prijsgeven.

Plannen voor de toekomst

De LHC-projecten van het CERN overspannen decennia. In

1991 lagen de eerste tekeningen van het CMS-experiment

op tafel, terwijl de eerste botsingen tussen protonen pas in

2009 opgemeten werden. Na de ontdekking van het higgs-

deeltje hebben we de koppen bij elkaar gestoken en beslist

om de LHC de komende decennia ten volle te gebruiken voor

het onderzoek in de deeltjesfysica. Zo zijn er vandaag al heel

concrete plannen om onze experimenten zo aan te passen dat

we vanaf het jaar 2024 jaarlijks evenveel botsingen zullen

verzamelen als alle jaren tussen 2011 en 2021 samen. Dat

willen we volhouden tot 2035. Ook hiermee zullen we uniekewetenschappelijke inzichten verkrijgen, maar we moeten nu

al de technologische uitdagingen aangaan om dit mogelijk te

maken.

Maar eerst staan we voor de heropstart van 2015. Duizenden

wetenschappers ontwikkelen testen hun methodes om zo

snel mogelijk de eerste botsingsdata te analyseren. Het is een

uitdaging om al die ambitieuze en enthousiaste onderzoekers

optimaal te laten samenwerken. Dat gebeurt zowel met grote

fysieke bijeenkomsten als met honderd wekelijkse vergade-

ringen via videoconferentie. Zo kunnen collegas uit de hele

wereld toegewijd samenwerken.

Als voorzitter van de Raad van Bestuur van het CMS experi-

ment met 185 universiteiten of onderzoeksinstellingen uit 43

landen, kijk ik samen met duizenden van mijn collegas uit

naar alweer een buitengewoon interessant hoofdstuk in de

ontdekking van de natuur op de kleinste schaal.

Jorgen DHondt is hoogleraar deeltjesfysica aan de Vrije

Universiteit Brussel en voorzitter van de Raad van Bestuur

van het CMS-experiment aan het CERN.

Ingenieurs

controleerden de

afgelopen twee

jaar elk stukje van

de 27 kilometer

lange versneller.


7/52

INGREDINTENVAN HET UNIVERSUM

INLEIDING TOT DE KOSMOS


8/52

Om te begrijpen hoe de kosmos in elkaarzit, kijken wetenschappers niet alleen

ver weg de ruimte in. Ze bestuderen ookde allerkleinste deeltjes. Kosmologenkrijgen de hulp van deeltjesfysici omde grote kosmologische vragen tebeantwoorden en om mysterieuze

fenomenen zoals donkere materie tekunnen verklaren.

Pierre Van Mechelen

Alle eigenschappen van materie zijn een gevolg van de

eigenschappen van de samenstellende deeltjes. De

wetenschap van het allergrootste, sterren en sterrenstelsels,

is daarom erg nauw verbonden met de wetenschap van het

allerkleinste. De creatie van minuscule deeltjes en de inter-

acties tussen hen, bepaalden wat er zich afspeelde vlak na

de oerknal.

Twaalf elementaire deeltjes zijn de bouwstenen van het

heelal. Vier fundamentele krachten houden de boel samen.

Alle kennis daarover wordt samengevat in het standaard-

model van de deeltjesfysica dat de fundamentele deeltjes en

hun interacties beschrijft. Het model werd in de jaren 70

opgesteld en voorspelde ook het bestaan van toen nog on-

bekende deeltjes, die inmiddels bijna allemaal zijn ontdekt.

Een overzichtje.

materie atoom elektronproton quarks

kern neutron

Elementaire deeltjes

Een elementair deeltje is een deeltje dat niet verder kan

worden opgesplist in kleinere deeltjes. De opvattingen

over wat nu precies een elementair deeltje is, zijn in de

loop van de geschiedenis een paar keer veranderd. Tot be-

gin 20ste eeuw dachten wetenschappers dat atomen ele-

mentaire deeltjes waren. Atoom is dan ook afgeleid van

het Griekse atomos, wat ondeelbaar betekend. Maar in

1911 ontdekte Ernest Rutherford dat het atoom samen-

gesteld was. Pas in de jaren 1960 werd ontdekt dat proto-

nen en neutronen geen elementaire deeltjes zijn maar uit

quarks bestaan. Misschien komen wetenschappers er in

de toekomst nog achter dat ook die nog uit andere deel-

tjes zijn samengesteld.


9/52

Materiedeeltjes

Materie bestaat uit atomen. Atomen bestaan uit een kern

van protonen en neutronen waarrond elektronen bewegen.

Maar daar stopt het verhaal niet. Zowel protonen als neu-

tronen zijn opgebouwd uit quarks, de bouwstenen vande elementaire deeltjes, zeg maar. Er bestaan zes soorten

quarks die worden ingedeeld in drie families of drie genera-

ties. Het verschil tussen de drie generaties zit hem enkel in

de massa van de deeltjes. In de eerste generatie vinden we

de up- en down-quarks, in de tweede generatie de charme-

en strange-quarks en in de derde de top- en bottom-quarks.

De top-quark uit de derde generatie is 58.000 tot 116.000

keer zwaarder dan de up-quark uit de eerste generatie.

Van elke quark bestaan er drie vormen, die worden aange-

duid met de kleuren rood, groen en blauw. Dat zijn niet de

werkelijke kleuren van de quarks. Het is gewoon een over-

eenkomst onder deeltjesfysici om de verschillende quarks

te kunnen onderscheiden. In werkelijkheid zijn de kleuren

van quarks te vergelijken met de lading van elektronen en

protonen.

Naast de quarks zijn er de leptonen. Ook hiervan zijn er zes

soorten, die net zoals de quarks volgens gewicht in de drie

generaties worden onderverdeeld. Zo vinden we het elek-

tron en het elektron-neutrino in de eerste, het muon en het

muon-neutrino in de tweede en het tau en tau-neutrino in

de derde generatie. Het elekron, muon en tau hebben zowel

een massa als een elektrische lading. Hun neutrino-tegen-

hangers zijn ongeladen en hebben amper massa.

Gewone zichtbare materie bestaat uit deeltjes uit de eer-

ste generatie: up-quarks, down-quarks en elektronen. Een

proton bestaat uit twee up-quarks en een down-quark, een

neutron uit een up-quark en twee down-quarks. Elektron-

neutrinos komen enkel vrij bij radioactief verval en kern-

fusie.

Zwaardere quarks en leptonen komen niet voor in gewone

materie omdat ze onstabiel zijn waardoor hen geen lang

leven beschoren is. Ze vallen al snel uiteen in lichtere va-

rianten. Dat zorgt meteen voor enkele lastige vragen. Als

de deeltjes uit hogere generaties zo onstabiel zijn, waarom

bestaan ze dan? Waarom zijn er verschillende generaties

deeltjes, en waarom precies drie? Voorlopig moeten de we-

tenschappers het antwoord schuldig blijven.

Krachtvoerende deeltjes

In de kosmos zijn vier fundamentele krachten werkzaam: de

sterke en zwakke kernkracht, de elektromagnetische kracht

en de zwaartekracht. De sterke kernkracht houdt atoomker-

nen samen. De zwakke kernkracht is verantwoordelijk voor

bepaalde vormen van radioactief verval. Zowel de sterke als

de zwakke kernkracht hebben op ons geen directe invloed

want beide werken enkel op het niveau van atomen. De

elektromagnetische kracht werkt tussen elektrisch geladen

deeltjes. Gelijke ladingen stoten elkaar af en verschillende

ladingen trekken elkaar aan, zoals negatief geladen elek-

tronen en positief geladen atoomkernen. Van alle krachten

is de zwaartekracht de zwakste, zelfs nog zwakker dan de

zwakke kernkracht. Ze werkt echter wel over veel grotere af-

standen.

Alle krachten zijn eigenlijk het gevolg van de uitwisseling

van deeltjes die wetenschappers bosonen of krachtvoeren-

de deeltjes noemen. Je kunt dat proces vergelijken met twee

schaatsers die een bal naar elkaar gooien en door de terug-

slag in beweging komen. Elke kracht heeft zijn eigen boson.

De sterke kernkracht werkt dankzij het gluon, de zwakke

kernkracht dankzij W- en Z-bosonen en de elektromag-

netische kracht gebruikt het foton. Fotonen zijn de enige

krachtvoerende deeltjes die we zonder veel problemen kun-

nen waarnemen want ook licht is eruit opgebouwd. Zwaar-

tekracht wordt volgens het standaardmodel veroorzaakt

door het graviton, maar het bestaan van dat deeltje kon nog

niet worden aangetoond. Dat is meteen de grote zwakte van

het standaardmodel: het kan voorlopig enkel gissen naar de

oorzaak van de zwaartekracht. De werking van de zwaarte-

Het standaardmodel van de deeltjesfysica

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een beschrijving hoe de wereld van

de kleinste bouwstenen van de materie eruitziet. In het schema vinden we boven-

aan de materiedeeltjes, onder andere de bestanddelen van atomen, in het middende deeltjes die zorgen voor het uitwisselen van de krachten zoals de elektromag-

netische, de zwakke en de sterke kracht, en ten slotte onderaan het higgsdeeltje.

De lijnen geven weer wat met wat kan interageren volgens het standaardmodel.

Hoewel al deze deeltjes al ontdekt zijn, hebben we nog geen bewijzen voor som-

mige van de interactielijnen.

sterke kernkracht

elektro-

magnetische kracht

zwakke kernkracht

zwaartekracht

Vier

basiskrachten zijn

verantwoordelijk

voor alle

wisselwerkingen

in het heelal.


10/52


11/52

kracht op de schaal van de fundamentele deeltjes is echter

verwaarloosbaar klein.

1+1=0

Alles wat we rondom ons zien is opgebouwd uit materie.

In 1932 ontdekten wetenschappers echter een merkwaar-

dig deeltje: het leek op een elektron maar was positief gela-

den. Dit anti-elektron werd positron gedoopt. Inmiddels

is gebleken dat niet alleen elektronen maar ook alle andere

deeltjes over een antideeltje beschikken. Zo bestaan er ook

antiquarks en antineutrinos. Een antideeltje kan je verge-

lijken met je spiegelbeeld. Als je in de spiegel kijkt, worden

enkel links en rechts omgewisseld. Ook tussen een deeltje

en zijn antideeltje is er een symmetrierelatie. Hun massa is

gelijk maar ondere andere hun lading - zowel de elektrische

lading van elektronen en protonen als de kleurlading van

quarks - is bij het antideeltjes tegengesteld.Deeltjes en antideeltjes zijn niet meteen de beste vrienden.

Als ze elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar in een pro-

ces dat annihilatie wordt genoemd. Daarbij komt een gi-

gantische hoeveelheid energie vrij. Gelukkig vinden we in

het heelal amper antimaterie. Maar hoe komt dat eigenlijk?

Kosmologen gaan er immers van uit dat bij de oerknal even-

veel materie als antimaterie ontstond. Dat proces is te ver-

gelijken met het drukken van muntstukken uit heet metaal.

Als een muntstuk wordt gedrukt, blijft in het vloeibare, hete

metaal een gaatje achter, een antimunt als het ware. Vlak

na de oerknal ontstond onder extreem hoge temperaturen

voor elk materiedeeltje een antimateriedeeltje uit energie.

Dankzij de theorien van Einstein weten we dat het kan

want energie is gelijk aan massa of E = mc2.

De materie en antimaterie hadden elkaar dus kunnen ver-

nietigen en dan hadden wij hier nu niet rondgelopen. Geluk-

kig ontstond er een overschot aan materie, maar kosmolo-

gen zijn er nog niet uit hoe dat precies gebeurde. Blijkbaargedragen materie en antimaterie zich niet volledig hetzelf-

Het grootste en het kleinste

Onze inzichten over het immens kleine zijn

verbonden met die over het immens grote in

ons universum.

Zonder hulpmiddelen kunnen we ongeveer

een kilometer ver kijken en in de andere

richting kunnen we een voorwerp van een

millimeter groot onderscheiden met het

blote oog. Telescopen en microscopen laten

ons toe om uit en in te zoomen. De mo-

dernere versies hiervan zijn respectievelijk

satellietexperimenten (recente resultaten

van de Hubbletelescoop en de Planckmis-

sie van het Europese ruimtevaartagent-

schap ESA) en krachtige deeltjesversnellers

(met de LHC als paradepaardje). Een quark

zoeken in een atoom, is net zo moeilijk als

een rijstkorrel zoeken in het volume van de

aarde. - JD


12/52

de. Reacties tussen elementaire deeltjes verlopen in som-

mige gevallen net iets anders voor antimaterie. Daardoor

ontstond net iets meer materie. Het scheelde geen haartje of

er was van ons geen sprake geweest: voor elke 300.000.000

antiquarks ontstonden 300.000.001 quarks! Volgens som-mige kosmologen zijn die getallen zelfs nog veel groter. Kort

na de oerknal was de temperatuur te ver gedaald om nog

vorming van materie en antimaterieparen toe te laten, enkel

het beetje extra materie bleef over en daar moeten we het tot

op vandaag mee doen.

Een presentatie in 1959 van de eerste resultaten van

deeltjesbotsingen in de synchrotron, die vandaag nog steeds

gebruikt wordt bij experimenten aan het CERN.

Meer recente visualisaties van vergelijkbare

deeltjesbotsingen. Fysici hopen in deze resultaten nieuwedeeltjes te ontdekken en fenomenen beter te begrijpen.


13/52

Het standaardmodel van de deeltjesfysica

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een beschrijving hoe de wereld van

de kleinste bouwstenen van de materie eruitziet. In het schema vinden we boven-

aan de materiedeeltjes, onder andere de bestanddelen van atomen, in het middende deeltjes die zorgen voor het uitwisselen van de krachten zoals de elektromag-

netische, de zwakke en de sterke kracht, en ten slotte onderaan het higgsdeeltje.

De lijnen geven weer wat met wat kan interageren volgens het standaardmodel.

Hoewel al deze deeltjes al ontdekt zijn, hebben we nog geen bewijzen voor som-

mige van de interactielijnen.

Antimaterie in CERN

De wereld om ons heen is opgebouwd uit het restje materie dat

ontstond vlak na de oerknal. Antimateriedeeltjes zijn in zon

vijandige omgeving geen lang leven beschoren want ze zou-

den al snel botsen met een materiedeeltje en verdwijnen. En-kel onder speciale omstandigheden blijven antimateriedeeltjes

bestaan. Uit de grote hoeveelheid energie in deeltjesvernellers

ontstaan spontaan nieuwe deeltjes samen met hun antideel-

tjes. De antideeltjes worden door magneten uit de soep gevist

en afgezonderd. In die eerste fase is de energie van de antideel-

tjes veel te hoog. Daarom worden ze naar een speciaal toestel

geleid de antiprotonenvertrager die hun snelheid doet af-

nemen. Pas dan kunnen ze worden bestudeerd en kunnen hun

eigenschappen worden vergeleken met die van gewone deel-

tjes. Fysici proberen om met de vertraagde antideeltjes heuse

antiatomen te creren en te bestuderen hoe die zich gedragen.

Ze zijn er al in geslaagd om de tegenhanger van het eenvoudig-

ste atoom te produceren, een antiwaterstofatoom.

Het belang van massa

Een aantal elementaire deeltjes hebben geen massa, an-

dere wel en dat is een erg belangrijke eigenschap. Mas-

saloze deeltjes hebben namelijk een vervelend kenmerk:

ze verplaatsen zich voortdurend met de snelheid van het

licht. Als er geen massa zou zijn en alle deeltjes razendsnel

door het heelal zouden vliegen, zouden ze nooit met el-

kaar binden. Er zouden geen atomen ontstaan, geen mo-

leculen en geen leven!

Antideeltjes in je lichaam

Antimaterie heeft een aantal erg nuttige toepas-

singen. Positronen worden bijvoorbeeld gebruikt

in de geneeskunde o.a. om tumoren op te sporenof om de werking van de hersenen te onderzoe-

ken met een PET-scanner. PET staat voor Positron

Emissie Tomografie. De patint krijgt daarbij een

erg lage dosis radioactieve vloeistof ingespoten.

Bij het radioactieve verval van die stof komen po-

sitronen vrij die reageren met de elektronen in ons

lichaam. Bij die annihilatiereactie komt straling vrij

die kan worden gedetecteerd. Als sommige cellen,

zoals tumorcellen, actiever zijn dan andere, dan

nemen ze meer van de radioactieve stof op. Die

verschillen in opname en dus in straling kunnen op


14/52

LARGEHADRONCOLLIDER

HOE WERKT DE DEELTJESVERSNELLER?


15/52

De Large Hadron Collider (LHC) is de grootste deeltjes-

versneller ter wereld. Het toestel vult een maar liefst

27 kilometer lange cirkelvormige tunnel 150 meter onder

de grond bij de Zwitserse stad Genve. In de versneller be-

wegen twee protonenbundels in tegenovergestelde richting

aan een snelheid net onder die van het licht elke seconde

gaan ze 11.245 keer rond de tunnel - om in een detector

met elkaar te botsen. De protonentrein die door de tunnel

raast, zou in normale omstandigheden altijd rechtdoor

gaan, maar wordt in de LHC door 1.624 supergeleidende

elektromagneten uit niobium-titanium in een cirkelvormige

baan gedwongen. We hebben het dan niet over de magneet-

jes die je tegen de koelkast kleeft maar over grote spoelen,

sommige tot 15 meter lang, waarrond elektrische kabels

zijn gedraaid.

Om supergeleidend te zijn, worden de elektromagneten met

behulp van meer dan 10.000 ton vloeibare stikstof en 60 ton

vloeibare helium gekoeld tot -271 graden Celsius, bijna de

koudste temperatuur in het universum. Hierdoor ondervindt

de elektrische stroom die erdoor loopt geen weerstand. Alleen

zo kan een voldoende sterk magnetisch veld worden opge-

wekt. Als protonen uit waterstofkernen in de tunnel worden

losgelaten, houden duizenden magneten de deeltjes op hun

plaats en leiden ze rond door de versneller. Dat gebeurt in een

vacum omgeving, om te vermijden dat de deeltjes zouden

botsen met deeltjes in de lucht.

De Large Hadron Collider is dekrachtigste deeltjesversneller ter wereld.Het toestel dient n missie: mysteries

over het universum oplossen.

Kim Verhaeghe

De Large

Hadron Collider

ligt in een 27

kilometer lange

tunnel, 150 meter

onder de Genve.


16/52

aan het CERN waarnemen kunnen helpen om het universum

beter te begrijpen, en theorien zoals donkere materie, super-

symmetrie en antimaterie te toetsen.

Niet alleen de tunnel waarin de deeltjes rondracen is erg

groot. Huizenhoge detectoren zoals bijvoorbeeld de CMS-

detector moeten interessante deeltjes opsporen die bij de

Kan het niet wat kleiner?

Met cirkelvormige versnellers kunnen deeltjes het makkelijkst worden versneld.

Deeltjes kunnen miljoenen keren ronddraaien en na elk rondje een extra duw-

tje in de rug krijgen. Geladen deeltjes die worden afgebogen, zenden straling uit.Voor lichte deeltjes, zoals elektronen, moet de straal van de versneller groot ge-

noeg zijn om het energieverlies door die straling te verminderen. Om zwaardere

deeltjes zoals protonen in de juiste positie te houden, is een erg sterk magneet-

veld nodig en dus moeten de magneten groot zijn, al worden nieuwere magneten

steeds kleiner. Maar zelfs de sterkste magneten kunnen deeltjes maar een klein

beetje afbuigen en dus is een grote baan nodig.

Na elk rondje dat de protonen hebben gemaakt gaan ze snel-

ler en krijgen ze meer energie. In twee gescheiden buizen

circuleren twee deeltjesbundels tegelijk in tegengestelde rich-

ting. Na ongeveer honderd omwentelingen bereiken de deel-

tjes de gewenste energie, waarna ze klaar zijn om te botsen.Dat gebeurt op vier punten in de versneller, ongeveer elke 25

nanoseconden.

Botsingen uitlokken is niet zo eenvoudig want de deeltjes zijn

natuurlijk erg klein. Je zou het kunnen vergelijken met het af-

schieten van twee naalden op 10 kilometer van elkaar, zoda-

nig dat ze elkaar halverwege raken.

Tijdens botsingen tussen zware ionen geladen deeltjes

ontstaan voor een fractie van een seconde temperaturen die

100.000 keer heter zijn dan het binnenste van de zon. Bij de

botsing van de deeltjesbundels komt zoveel energie vrij dat

er spontaan nieuwe deeltjes ontstaan. Dat kunnen bekende

deeltjes zijn, maar ook nieuwe exotische exemplaren, zoals

het Brout-Englert-Higgsboson dat in 2012 werd bevestigd

en Brusselaar Franois Englert incontournable maakte voor

de Nobelprijs Fysica. De deeltjes en fenomenen die de fysici


17/52

botsingen vrijkomen. Het probleem daarbij is dat exotische

deeltjes erg onstabiel zijn en meteen weer verdwijnen. Maar

ze laten sporen na die de fysici moeten zien te herkennen. Als

een elektrisch geladen deeltje door een detector vliegt, zal het

elektronen uit de elektronenwolk rond atoomkernen wegkaat-

sen, en zo een een erg klein maar meetbaar elektrisch signaal

veroorzaken waaruit fysici de positie van het deeltje kunnen

afleiden. Zo kunnen ze de trajecten die de deeltjes volgen re-

construeren en op basis van die patronen de deeltjes identifi-

ceren.

Vanzelfsprekend krijgen het materiaal en de elektronica on-

der die extreme omstandigheden heel wat te verduren. De

technici gaven de deeltjesversneller daarom tussen 2013 en

2015 een onderhoudsbeurt. Duizenden onderdelen werden

getest en indien nodig vervangen. Er werden krachtigere elek-

tromagneten genstalleerd, waardoor deeltjes sneller en met

een hogere energie met elkaar kunnen botsen. Voor de onder-

houdsbeurt had elke protonenbundel een energie van 4 TeV

(teraelektronvolt), goed voor en botsingsenergie van 8 TeV. Na

de upgrade, werd dat 13 TeV. Dankzij die veel hogere energie

hopen de fysici nieuwe fysica te ontdekken, misschien zelfs

donkere materie te maken, maar wat het precies zal zijn, we-

ten zij net zo min als u en ik.


18/52

60 JAAR

CERN


19/52

Op 29 september 1954 sloegen twaalfEuropese landen, waaronder Belgien Nederland, de handen in elkaar

om na de Tweede Wereldoorlog hetwetenschappelijk onderzoek in Europa

terug op te krikken en s wereldsgrootste laboratorium voor deeltjesfysica

te bouwen.

Op 17 mei 1954 ging de eerste spadesteek de grond in voor de bouw van de CERN-site in Zwitserland.


20/52

Een magneetspoel voor de bouw van de synchrocyclotron,

de eerste deeltjesversneller van het CERN, komt aan in Genve (1955).

Ingenieurs en fysici zitten op een magneet bestemd voor de Large Hadron Collider.

De foto is genomen in het Natuurkundig Instituut in Genve, aangezien het CERN toen nog een modderige constructiesite was (1956).


21/52

De bouwsite van het CERN in 1957.

Radioactieve metingen boven de Proton Synchrotron, de

oudste grote deeltjesversneller aan het CERN (1959).


22/52

Een stapel van drie pannenkoeken bestemd voor de elektromagneet (1963).


23/52

Gepolijste Cerenkov spiegels (1966).


24/52

De tunnel waarin de Super Proton Synchrotron,

een 7 kilometer lange circulaire deeltjesversneller,

moet komen (1974).


25/52

Graafwerken voor de tunnel waarin de large electron

positron (LEP)-versneller gebouwd zou worden. De constructie

van de cirkelvormige tunnel, met een omtrek van 27 kilometer,

begon in 1983. De versneller was actief tussen 1989 en 2000.


26/52

Tim Berners-Lee demonstreert het World Wide Web, dat aan het CERN werd ontwikkeld, op een conferentie in 1991.

Op 10 september 2008 gaat een protonstraal voor het eerst rond in de 27 kilometer lange Large Hadron Collider (LHC).


27/52

De vondst van het door Peter Higgs, Franois Englert en Robert Brout in 1964 voorspelde Higgs-boson was voor het CERN een historisch moment (2012).

In 2013 ging de Large Hadron Collider dicht voor onderhoudswerken, om in maart 2015 te heropenen.


28/52

Er blijvennog heel veel

vragen open

THEORETISCH NATUURKUNDIGE FRANOIS ENGLERT

INTERVIEW


29/52

Op deze zonnige julimaandag ligt de campus van de

Universit Libre de Bruxelles er verlaten bij. Buiten

een zeldzame doctoraalstudent die het vertikt om op vakan-

tie te gaan of enkele studenten die het blokken voor hun

tweede zit even opschorten om verkoeling te zoeken op de

graspleintjes, is er niemand. Maar op de zevende verdieping

van het centrale torengebouw waarin de natuurkundigen en

wiskundigen kantoor houden, heerst een andere soort stilte.

Hier hangt de onontbeerlijke rust die een theoretisch na-

tuurkundige nodig heeft om over de vraagstukken van de

natuur en het universum na te kunnen denken. In een van

de kantoren zit Franois Englert. Ook vandaag laat hij zich

door de zomerhitte niet ontmoedigen om hier, zoals hij bij-

na dagelijks heeft gedaan sinds hij op emeritaat ging in

1998, te komen nadenken over de wetten die de natuur be-

schrijven, en vooral: hoe deze wetten met elkaar te vereni-

gen in n omvattende, liefst zo elegant mogelijke theorie.

Toen de nu tachtigjarige Brusselaar in het begin van de jaren

60 van vorige eeuw de leerstoel theoretische natuurkunde

van de ULB aangeboden kreeg, stond de elementaire deel-

tjesfysica nog in de kinderschoenen. Er was toen nog niet

eens sprake van het zogeheten standaardmodel, het groteraamwerk van theorien waarin drie van de vier fundamen-

tele natuurkrachten (de zwaartekracht valt er nog steeds bui-

ten) met elkaar zijn vervlochten. Begin jaren 60 was er zelfs

nog geen sprake van een gecordineerde aanpak in de theo-

retische natuurkunde om tot dit standaardmodel te komen.

Maar in dat gouden decennium van de deeltjesfysica werd

een immense vooruitgang geboekt, niet in het minst door een

artikel dat Englert en zijn collega Robert Brout in de zomer van

1964 publiceerden. Daarin stelden Brout en Englert een nieuw

mechanisme voor dat massa zou geven aan alle materiedeel-

tjes, en dat een hoeksteen zou gaan vormen van het latere

bouwwerk van het standaardmodel. Nog geen twee maanden

later had de Britse theoreticus Peter Higgs het in hetzelfde vak-

tijdschrift over quasi hetzelfde mechanisme, maar hij stelde er

ook expliciet een nog te ontdekken deeltje in voor, een nieuw

soort boson. Mede daarom werd het theoretische deeltje in

de decennia daarna het higgsboson genoemd, en onder die

naam is het deze zomer ook wereldberoemd geworden.

Of hij zich er niet aan stoort, aan al dat Higgs-gedoe? Of hij

het fijn vindt dat iedereen het heeft over het higgsboson,

alsof Peter Higgs de eerste was die over het massagevende

mechanisme schreef ? Ach, zoveel kan mij dat niet schelen,

zucht Englert vanachter zijn bureau. Het is ook maar een

naam. Tijdens het gesprek blijkt echter al snel dat hij er toch

niet onverdeeld gelukkig mee is. Mij lijkt het niet meer dan

normaal dat een ontdekking vernoemd wordt naar haar ont-

dekkers, toch? Trouwens, wij waren eerst met onze publica-

tie. Overigens zijn er nog kapers op de kust die hun naam

Samen met de in 2011 overledenRobert Brout voorspelde de Brusselsetheoreticus Franois Englert vijftig jaar

geleden het bestaan van het higgs-boson. In 2012 werd het deeltje ook

daadwerkelijk ontdekt, en een jaar laterontving Englert de Nobelprijs Fysica.

Door Senne Srerckx

Franois Englert

Franois Englert (geb. 1932) studeerde in 1955 af als elektronica-ingenieur aan

de Franstalige Universit Libre de Bruxelles (ULB). Nadat hi j in 1959 zijn doctoraat

had behaald, trok Englert naar de Verenigde Staten, waar hij aan Cornell Univer-sity (in New York) als onderzoeksassistent van Robert Brout aan de slag ging. In

1961 keerde hij terug naar Brussel, en werd hij hoogleraar in de theoretische

natuurkunde aan zijn alma mater, de ULB. Niet veel later volgde zijn vroegere

mentor Robert Brout hem naar Brussel, waarna ze zich beiden toelegden op de

zich toen nog ontluikende kwantumveldentheorie een verklaringsmodel voor

de deeltjesfysica waarin niet de deeltjes de hoofdrol spelen, maar krachtvelden.

In 1998 ging Franois Englert met emeritaat. Anno 2012 is hij nog bijna dagelijks

in zijn kantoor aan de ULB te vinden, waar hij zich achter zijn bureau het hoofd

breekt over een of ander onopgelost vraagstuk in de theoretische natuurkunde.

Franois Englert won een aantal prestigieuze onderscheidingen, zoals de Franc-

qui-prijs (in 1982) en de Wolf Prize in Physics (samen met Robert Brout en Peter

Higgs). Maar de allergrootste onderscheiding krijgt hij in 2013: de Nobelprijs voor

natuurkunde.


30/52

willen verbonden zien aan het boson, waarvan het bestaan

in juli experimenteel bevestigd werd (zie het kaderstukje

Higgs, BEH, of BEHGHK?). Toch verwacht ik dat het bij

Higgs zal blijven, zegt Englert. Want die naam is al jaren

ingeburgerd. Zoiets verander je niet van vandaag op morgen.Maar eigenlijk praat Englert veel liever over zijn vak, de the-

oretische natuurkunde, dan over het gedoe rond de naam-

geving. En dat doet hij met veel plezier en passie. Bovendien

staat hij erop dat hij het belang van de ontdekking van het

higgsboson even mag kaderen in de complexere realiteit van

het standaardmodel. Hij wil geen vage beschrijving geven

van het higgsdeeltje zoals dat door bijna alle populaire me-

dia wordt gedaan. Bij zulke beschrijvingen die vaak leuk

om lezen zijn, dat geef ik toe gaat er altijd iets van weten-

schappelijke correctheid verloren, en ongenuanceerde in-

formatie gaat al snel een eigen leven leiden. Je ziet waartoe

dit kan leiden: sommigen hebben het over het God-deeltje,

alsof het boson op een of andere manier verheven zou zijn

boven het proton, het elektron of het neutrino.

Zelfs de sobere zin het higgsdeeltje geeft gewicht aan de

natuur stoort Englert eigenlijk. Zelfs dt is te kort door de

bocht. Het is waar dat het bosonmechanisme massa geeft

aan sommigedeeltjes andere bosonen, bijvoorbeeld maar

zeker niet aan alle materiedeeltjes. Eigenlijk kun je het niet

correct uitleggen zonder gebruik te maken van complexe

wiskundige formules. (lacht) Maar ja, kun je in dat geval nog

wel zeggen dat je iets aan het uitleggen bent?

Waarin schuilt het belang van de ontdekking van het higgs-

deeltje dan precies? We laten Englert even doceren: In het

midden van de vorige eeuw hadden we een heel goede be-

schrijving van zowel de zwaartekracht als de elektromagne-

tische kracht. Die twee krachten zijn ons goed bekend, want

ze werken op zowel grote als kleine afstanden. Het volstond

naar de planeten en sterren te kijken, of wat met een mag-

neet te spelen, om inzicht te krijgen in die krachten. Maar

wat moesten we met de krachten die werkzaam zijn binnen-

in de atoomkern, die de protonen en neutronen samen hou-

den en die ervoor zorgen dat er zoiets bestaat als spontaan

radioactief verval? Want eenmaal voorbij de buitenste rand

van de atoomkern werken die krachten niet meer, het zijn

zogenaamde kortdragende kernkrachten.

Samen met Robert Brout bedacht ik een mechanisme dat

kon verklaren waarom de elektromagnetische kracht en dezwaartekracht over immense afstanden kunnen

dragen, terwijl de kernkrachten dat niet

kunnen. Door dat mechanisme

bezitten de krachtvoe-

rende deeltjes van

de kernkrachten,

de zogenaamde bo-

sonen, in tegenstel-

ling tot de fotonen bij

de elektromagnetische

kracht, wl een massa. Die

massa zorgt ervoor dat deze

deeltjes relatief traag zijn en

snel vervallen. Het is dit mechanisme, dat gebaseerd is op zo-

genaamde spontane symmetriebreking, dat wij voorstelden

in ons artikel uit 1964 en dat er dus voor zorgt dat de boso-

nen van de kernkrachten een massa bezitten. Later werd dit

het Higgs-mechanisme.

Terug naar 4 juli 2012. Die dag was het voor een keer eens

niet de crisis die het nieuws domineerde. Nee, die dag kwam

het grootste nieuwsfeit uit Genve, waar in het Europese lab

voor deeltjesfysica CERN de ontdekking van het higgsboson

wereldkundig werd gemaakt.

Een ontdekking in de natuurkunde stond op de voor-

pagina van alle kranten. Dat moet geleden zijn van de

dagen van Albert Einstein.

Franois Englert: Nu je het zegt dat denk ik wel, ja.

(lacht) Hoewel ik nu ook niet z oud ben dat ik mij Ein-

stein nog kan herinneren. Maar uit wat ik gelezen heb op

oude krantenpaginas, moeten we inderdaad teruggaan naar

1919 om iets vergelijkbaars te vinden. Toen werd door naar

een zonsverduistering te kijken, de algemene relativiteits-

theorie op een weergaloze manier bevestigd.

Ik denk ook dat de mate van complexiteit tussen beide the-

orien, aan de ene kant de relativiteitstheorie en aan de an-

dere kant het standaardmodel, verge-lijkbaar is. En toch is

In de zomer van1964 publiceerden

Englert en

Brout het eerste

wetenschappelijke

artikel dat het

higgsdeeltje

voorspelde.

Higgs

Deeltjesfysici vermoeden dat de deeltjes in het heelal vlak na de big bang nog

geen massa hadden. Pas toen de temperatuur daalde, ontstond het Higgsveld

en het overeenkomstige Higgsdeeltje of Higss-boson. Deeltjes krijgen een massadankzij de interactie met dat veld. Hoe sterker de interactie, hoe meer massa. Het

Higgsmechanisme is vergelijkbaar met een horde uitzinnige fans van een rocks-

ter. Stel je voor dat de ster ergens uit zijn limousine stapt en een wandelingetje wil

maken. Al snel krijgen fans hem in de gaten en ze omsingelen hem om een hand-

tekening te vragen. Als de rockster ergens wil geraken, zal hij zich een weg moe-

ten banen door de menigte. Zijn bewegingen worden daardoor erg bemoeilijkt, hij

raakt maar langzaam vooruit. Het lijkt wel alsof hij massa heeft bijgewonnen. Op

een analoge manier zorgt het Higgsveld ervoor dat materiedeeltjes massa krijgen.


31/52

er een groot verschil: Einsteins theorie had rechtstreeks te

maken met de structuur van het universum, met het grotere,

overkoepelende theater. Dat sprak de mensen toen sterk aan,

ook al hadden ze nauwelijks een wetenschappelijke achter-

grond. Het was ook verbonden met diepere, zelfs religieuze

vragen. Dat is bij het standaardmodel toch wel anders. Het

begint al met het correct begrijpen van de onderliggende

theorie, de kwantummechanica. De consequenties van die

theorie kun je zeer moeilijk uitleggen aan een lekenpubliek.

Daarom denk ik niet dat de ontdekking van het boson nu

datzelfde soort gevoelens kan losmaken bij de mensen. Eer-

der een soort wow-gevoel, maar veel meer ook niet.

U vindt het zelf toch wel een belangrijke ontdekking?

Natuurlijk! Maar om volstrekt andere redenen. Wat deze

ontdekking mede zo belangrijk maakt, is het feit dat het

mechanisme achter het boson, dat door ons en door Peter

Higgs is voorgesteld, al dateert van vijftig jaar geleden. Er

zijn dus vijf decennia aan technologische ontwikkeling over

heen gegaan voor we het boson konden detecteren. Hier was

een immens krachtige deeltjesversneller voor nodig, name-

lijk de Large Hadron Collider.Dat zegt iets over de enorme

vooruitgang die we tijdens de tweede helft van de voorbije

eeuw hebben gerealiseerd.

Is het boson inderdaad het sluitstuk van de theorie van

het standaardmodel, zoals vaak wordt beweerd?

Waarschijnlijk wel, ja. Al kan het wel zijn dat een paar

eigenschappen van het boson die nog moeten worden on-

derzocht, niet helemaal overeenkomen met de theoretische

Higgs, BEH-deeltje of BEHGHK-boson?

Het higgsboson heeft verschillende vaders.

Zoals blijkt uit de publicatiedata van de we-

tenschappelijke artikels van Robert Brout

en Franois Englert (31 augustus 1964),

van Peter Higgs (19 oktober 1964), en van

het Amerikaans-Britse trio Gerald Guralnik,

Carl Hagen en Tom Kibble (16 november

1964), was het een fotofinish. Als we deze

chronologie moeten respecteren, verdienen

Brout en Englert de eer om als vaders van

het boson te worden gezien. Maar omdat

het bescheiden Belgen zijn, en ook omdat

Peter Higgs helemaal onafhankelijk van hen

tot hetzelfde idee was gekomen, zou men

in de plaats van over het higgsdeeltje, over

het BEH-deeltje spreken (Brout-Englert-

Higgs-deeltje). Maar ook Guralnik, Hagen

en Kibble claimen dat ze helemaal onafhan-

kelijk van Brout, Englert en Higgs indertijd

tot hetzelfde idee zijn gekomen, en ook zij

claimen een naamsverandering, naar iets in

de trant van het BEHGHK-boson (Brout-En-

glert-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-boson).

De toekomst zal het uitwijzen, maar waar-

schijnlijk blijft alles gewoon bij het oude en

blijft de alom gebruikte naam higgsboson

overeind.


32/52

voorspellingen. Ik denk dan aan de aantallen geproduceerde

bosonen per kanaal (het boson kan in verschillende soor-

ten deeltjesbotsingen ontstaan, die elk een productiekanaal

vormen, red.). Als die verschillen met wat de theorie voor-

spelt, dan betekent dit dat het standaardmodel ook maareen benadering is van de werkelijkheid weliswaar een heel

goede en dat er een dieperliggende theorie aan de grond-

slag ligt.

Er is heel wat te doen vooral in de Belgische media

over de naamgeving van het deeltje. U hebt daarom

een compromisvoorstel uitgewerkt, waarin wordt ge-

sproken over het scalair boson.

Ik wil een naam die de lading dekt. Scalair betekent dat het

achterliggende krachtveld, waarvan het boson dus slechts

een materile uiting is, geen voorkeursrichting bezit. Dit

bosonveld strekt zich uit over het hele universum, en doordat

materiedeeltjes doorheen dit veld reizen, verkrijgen ze massa

als het ware door de wrijving die ze van dit veld ondervin-

den. Dit veld valt nog het best te vergelijken met een druk-

veld in een waterbassin, want daarbij speelt orintatie ook

geen rol. Bij een magnetisch veld heb je bijvoorbeeld wel een

voorkeursrichting, in de vorm van een magnetische noord-

en zuidpool. De naam klinkt nogal technisch, dat geef ik toe.

Maar hij zegt wel iets over een bijzondere eigenschap van het

bosonveld, namelijk dat het geen voorkeursrichting heeft

en dus zal het scalair boson ook geen spin bezitten.

U maakt de vergelijking met de macroscopische na-

tuurkunde die ons heel wat bekender in de oren klinkt.

Bent u op die manier indertijd ook op het Higgs-me-

chanisme gestoten?

Toen ik nog assistent van Brout in Cornell was, werkten we

samen rond ferromagnetisme. Dat was in het begin van de

jaren 1960. Rond die tijd publiceerde de Japanse theoreti-

cus Yoichiro Nambu een artikel waarin hij aantoonde dat de

klassieke faseovergangen tussen vast, vloeibaar en gasvor-

mig een equivalent hadden in de subatomaire fysica iets

wat hij spontane symmetriebreking noemde. Daarvoor

heeft hij enkele jaren geleden trouwens de Nobelprijs ge-

kregen. Wat Nambu echter niet deed, was het principe van

spontane symmetriebreking uitbreiden naar de fundamen-

tele krachten wat Brout en ik dus wel deden. Zo konden

we in de zomer van 1964 ons artikel publiceren waarin we

in de taal van de veldentheorie uitlegden wat een mechanis-me kon zijn dat aan de krachtvoerende deeltjes van de kern-

krachten massa zou verlenen een mechanisme gebaseerd

op Nambus symmetriebreking. De publicatie van Higgs

aan het eind van de zomer van 1964, was geschreven in een

meer klassieke stijl. Het spreekt trouwens in het voordeel

van Brout en mezelf dat de huidige formulering van het me-

chanisme nog altijd in het veldenjargon gebeurt.

Waarom volgde Robert Brout u eigenlijk naar Belgi?

Kreeg hij hier een betere aanbieding?

Nee, integendeel. Robert nam gewoon ontslag aan Cornell

en kwam zonder enig uitzicht op een vaste betrekking naar

Brussel al hielp het natuurlijk wel dat hij uitstekende re-

ferenties had, en ook dat zijn vrouw Belgische was. Robert

hield te veel van de Europese cultuur, hij voelde zich een ech-

te Europeaan, ondanks het feit dat hij was opgegroeid aan de

andere kant van de oceaan. Hij heeft zelfs niet gekozen voorde dubbele nationaliteit. Hij vroeg de Belgische aan, en toen

hij die had, liet hij zijn Amerikaanse nationaliteit ongedaan

maken. Zoiets kom je toch niet vaak tegen. Op den duur kreeg

hij, net als ik, een aanstelling aan de ULB en konden we ver-

der samenwerken in de theoretische natuurkunde.

Wat maakte dat jullie samenwerking zo vruchtbaar

was? Was het de combinatie van verschillende achter-

gronden?

Ik heb altijd gevonden dat Robert meer werkte in de An-

gelsaksische traditie, of hoe je dat ook noemt, terwijl ik mij

meer focuste op het formele aspect, zijnde de wiskundige

technieken wat je weer typisch Frans zou kunnen noemen.

Robert was heel goed in het verbeelden van zaken, in het

visualiseren van wiskundige formules. Op dat vlak kon je

hem vergelijken met Richard Feynman, die ook liever werkte

met eenvoudig uitziende diagrammen dan met complexe

wiskundige vergelijkingen wat overigens niet wil zeggen

dat ze op wiskundig gebied de mindere waren. Robert en ik

verstonden elkaar gewoon heel goed, en daarom konden we

zo goed samenwerken. Hij met zijn enorme verbeeldings-

kracht, en ik met mijn wiskundige expertise, we vulden el-

kaar perfect aan.

Welke vragen blijven er open, nu het bestaan van het

higgsboson is bevestigd?

Goh, er zijn er nog zoveel. Maar de belangrijkste vragen

gaan volgens mij toch over het incorporeren van de zwaar-

tekracht in het standaardmodel de zwaartekracht dus

verenigen met de drie andere krachten. Want een funda-menteel probleem blijft bestaan: het blijkt vooralsnog on-

mogelijk om de zwaartekracht te beschrijven in de taal van

het standaardmodel, zijnde de kwantummechanica. Het

grote probleem daarbij is natuurlijk dat experimenten hier-

omtrent zeer moeilijk zijn uit te voeren, want kwantumme-

chanische effecten op de zwaartekracht zijn zo ontiegelijk

klein dat we zelfs niet in de buurt komen om ze te kunnen

detecteren. Behalve dan misschien tijdens de eerste seconde

na de big bang, toen de zwaartekracht waarschijnlijk veel en

veel sterker was. We zullen dus een omweg moeten maken

via de kosmologie om tot een antwoord te komen.

Er waren vijf decennia

technologische ontwikkeling nodig

om het door ons voorspelde boson

te kunnen detecteren


33/52

DRINGEND GEZOCHT:SUPERSYMMETRIE

CRISIS IN DE DEELTJESFYSICA

De CMS-detector bij de Large Hadron Collider (LHC) begint in maart

2015 zijn finale zoektocht naar een bewijs voor supersymmetrie.


34/52

Vroeg op een zomerse ochtend in 2012 waren we aan

onze derde espresso toe, toen de videolink ons kan-

toor van het California Institute of Technology verbond met

het laboratorium van het CERN nabij Genve. Op de moni-

tor zagen we onze collegas van het Razor-team, een van de

vele groepen fysici die data van het CMS-experiment bij

CERNs Large Hadron Collider (LHC) analyseren. Razor

werd gevormd om op zoek te gaan naar exotische botsingen

die voor het eerst het bestaan van supersymmetrie zouden

bewijzen.

Supersymmetrie is een 45 jaar oude theorie over materie en

een verbazingwekkend mooie oplossing voor de lastige pro-

blemen waarmee fysici al meer dan vier decennia worden

geconfronteerd. Ze levert antwoorden op een serie belang-

rijke waarom-vragen. Waarom hebben deeltjes de massadie ze hebben? Waarom hebben krachten de kracht die ze

hebben? Kortom, waarom ziet het universum eruit zoals het

eruit ziet?

Daarbovenop voorspelt supersymmetrie dat het universum

gevuld is met tot nog toe verborgen superpartners, deeltjes

die het mysterie van de donkere materie kunnen verklaren.

We overdrijven niet als we zeggen dat de meeste natuur-

kundigen die zich met deeltjesfysica bezighouden, geloven

dat supersymmetrie wel waar mot zijn de theorie is zo

onweerstaanbaar. Al lang hopen die fysici dat de Large Ha-

dron Collider uiteindelijk die superpartners zal vinden en zo

het harde bewijs zal leveren dat supersymmetrie een rele

beschrijving van het universum biedt.

Al decennialang werken fysiciaan een prachtige theorie die ons

een diepgaander inzicht in dekwantumwereld belooft. Vandaag

staan ze voor een tweespalt: binnen

het jaar bewijzen dat de theorie juistis, of geconfronteerd worden met eenhistorische ommekeer in de paradigmas.

Joseph Lykken en Maria Spiropulu

Maurizio Pierini, hoofd van het Razor-team, liet aan het

CERN nieuwe data zien. Negen tijdzones verderop konden

wij zien hoe iedereen rond hem de wenkbrauwen fronste:

er was een anomalie. Iemand moet kijken naar wat hier ge-

beurt, zei Pierini zakelijk. Met wat hier gebeurt bedoelde

hij een bijzondere botsing tussen twee protonen, een van de

triljoenen die in de Large Hadron Collider worden veroor-

zaakt.

Toen we de interessante botsing van naderbij bekeken, za-

gen we onmiddellijk dat het een smoking-gunsignaal van

supersymmetrie was. De zichtbare clusters gingen n kant

op, terugstotend tegen iets onzichtbaars misschien wel te-

gen een superpartner? Snel zagen we ook een grote, rode

uitschieter op het beeld. Kon het gaan om een vals signaal

van een slecht functionerende detector? Dat bleek inder-daad zo te zijn een zoveelste ontgoocheling in de blijkbaar

eindeloze zoektocht naar supersymmetrie.

De resultaten van de eerste runvan de Large Hadron Colli-

der sloten bijna alle best bestudeerde versies van supersym-

metrie uit. Dat leidt stilaan tot een crisis in de deeltjesfy-

sica, of in elk geval tot een wijdverspreide paniek. De Large

Hadron Collider zal begin 2015 zijn volgende runstarten.

Als aan het eind van die runniets nieuws tevoorschijn komt,

dan zal de fundamentele fysica voor een dilemma komen te

staan: ofwel het werk van een generatie opgeven omdat er

geen bewijs wordt gevonden dat de natuur zich volgens on-

ze regels gedraagt, ofwel verdergaan en hopen dat een nog

grotere testopstelling ooit het bewijs vindt dat we het al de


35/52

hele tijd bij het rechte eind hebben. Supersymmetrie maakt

deel uit van een ruimere poging om de grote kwantummys-

teries te doorgronden. We beschikken over een fantastisch

succesvolle theorie voor de subatomaire fysica, prozasch

het Standaardmodel van de deeltjesfysica genoemd. Datmodel combineert, om deeltjes en krachten te beschrijven,

kwantummechanica met Einsteins speciale relativiteitsthe-

orie. Materie is gemaakt van n soort deeltjes, fermionen

(zo genoemd naar Enrico Fermi) die bij elkaar worden ge-

houden door krachten die zijn gerelateerd aan een ander

soort deeltjes, bosonen (naar Satyendra Bose).

Het Standaardmodel biedt ons een excellente beschrijving

van wat in de subatomaire wereld gebeurt. Maar we ko-

men in de problemen zodra we beginnen vragen waarm

het Standaardmodel er zo uitziet. Zo stelt het model dat er

drie verschillende types leptonen (een type fermion) zijn:

elektronen, muonen en tau-deeltjes. Waarom zijn er drie?

Waarom geen twee, of vier, of vijftien? Het Standaardmo-

del heeft daar geen antwoord op. Dat moeten we op een

dieper niveau gaan zoeken. Op dezelfde wijze kunnen we

ons afvragen waarom een elektron de massa heeft die het

heeft. En waarom het lichter is dan, pakweg, het higgsbo-

son? Nogmaals: daarover zwijgt het Standaardmodel in alle

talen.

Theoretische deeltjesfysici spenderen aan dat soort vragen

heel wat tijd. Ze ontwikkelen modellen die verklaren waarom

het Standaardmodel eruit ziet zoals het is. De snaartheorie

bijvoorbeeld is een poging om een dieper niveau van de wer-

kelijkheid te bereiken. Andere voorbeelden zijn er volop. Al

die elkaar aanvullende theorien hebben echter te kampen

met een probleem. Elke theorie (zoals de snaartheorie) die

nieuwe fysica met zich meebrengt, impliceert het bestaan

van nieuwe hypothetische deeltjes. Die deeltjes kunnen een

extreem hoge massa hebben, wat zou verklaren waarom we

ze in versnellers als de Large Hadron Collider nog niet heb-

ben waargenomen, want deeltjes met een hoge massa zijn

moeilijk te creren. En toch zouden deeltjes met een hoge

massa gewone deeltjes, zoals het higgsboson, moeten be-

invloeden.

Waarom? Het antwoord ligt vervat in het vreemde wezen

van de kwantummechanica. Daar interageren deeltjes met

elkaar door middel van het uitwisselen van zogenaamde

virtuele deeltjes die nu eens bestaan en dan weer niet. Zois de repulsieve elektrische kracht tussen twee elektronen

beschreven als het uitwisselen van een virtueel foton tussen

de twee elektronen. Richard Feynman ontwikkelde elegante

regels om kwantumeffecten te beschrijven in termen van

stabiele deeltjes die met additionele virtuele deeltjes inter-

ageren.

In de kwantumtheorie echter zal alles wat niet strikt verbo-

den is, gebeuren, of toch tenminste occasioneel. Elektronen

zullen niet alleen met elkaar interageren door het uitwis-

selen van virtuele deeltjes, ze zullen ook interageren met

alle andere deeltjes ook met onze nieuwe, hypothetische

deeltjes die door een uitbreiding van het Standaardmodel

worden gesuggereerd. En die interacties kunnen ons voor

problemen plaatsen tenzij we iets als supersymmetrie

hebben.

Suzy

Neem nu het higgsboson, dat in het Standaardmodel ele-

mentaire deeltjes hun massa geeft. Als een higgsdeeltje ookmaar enkele superzware deeltjes had, dan zouden die met

elkaar praten door middel van virtuele kwantuminteracties.

Het higgsdeeltje zou zelf superzwaar worden. En een ogen-

blik daarna zou alles in het universum getransformeerd

worden in superzware deeltjes. U en ik zouden tot zwarte

gaten in elkaar klappen. De beste verklaring waarom dat

niet gebeurt, is supersymmetrie.

De basisidee van supersymmetrie, algemeen bekend onder

de bijnaam SUSY (uitgesproken als Suzy) is in de jaren

1970 ontwikkeld door fysici die genteresseerd waren in de

relatie tussen symmetrien en deeltjesfysica. Supersymme-

trie is niet n specifieke theorie, maar veeleer een raam-

werk van diverse theorien. Veel individuele modellen van

het universum kunnen, als ze een aantal eigenschappen

vertonen, supersymmetrisch zijn.

Veel gewone symmetrien vinden we terug in natuurkundi-

ge wetten voor deeltjes en krachten. Voor die wetten maakt

het niet uit waar we ons bevinden, wanneer we een meting

verrichten, welke richting we uitkijken en of we tegenover

de objecten die we observeren, bewegen of stilstaan. Deze

ruimtetijdsymmetrien impliceren mathematisch behouds-

wetten voor energie, momentum en impulsmoment. Van

de symmetrien zelf kunnen we de relatie afleiden tussen

energie, momentum en massa, uitgedrukt in de beroemde

formule E = mc2 . Dit alles is redelijk parate kennis sinds

1905, toen Albert Einstein zijn speciale relativiteitstheo-

rie ontwikkelde. Kwantumfysica lijkt deze symmetrien terespecteren. Wetenschappers hebben de symmetrien zelfs

gebruikt om nieuwe fenomenen te voorspellen. Zo toonde

Paul Dirac in 1930 aan dat als we kwantummechanica met

relativiteit combineren, ruimtetijdsymmetrien impliceren

dat elk deeltje een eraan gerelateerd antideeltje moet heb-

ben een deeltje met een tegengestelde lading. De idee leek

in die tijd gek, want niemand had ooit een antideeltje ge-

zien. Maar Dirac bleek het bij het rechte eind te hebben. Zijn

theoretische argumenten voor symmetrie leidden tot de ge-

durfde maar correcte voorspelling dat er ongeveer twee keer

zoveel deeltjes zijn als de wereld verwachtte.

Supersymmetrie steunt op een argument dat gelijkaardig is

aan dat van Dirac. Ze postuleert dat er een kwantumexten-

Natuurlijke supersymmetrie maakt

voor fysici de weg vrij om nieuwe

ideen te ontwikkelen die van het

Standaardmodel iets zinnigs maken


36/52

sie van ruimtetijd bestaat. Die wordt superruimte genoemd,

en deeltjes zijn in die superruimte symmetrisch. Superruim-

te kent geen gewone ruimtelijke dimensies als links-rechts

en boven-onder, maar veeleer extra fermionische dimensies.

In een fermionische dimensie is beweging erg beperkt. In

een gewone ruimtelijke dimensie kunnen we ons in elke

gewenste richting even ver bewegen als we willen, zonder

enige restrictie aan de grootte of het aantal stappen dat we

zetten. In een fermionische ruimte daarentegen is het aantal

stappen dat je kunt zetten beperkt. Zodra je n stap hebt

gezet, is de fermionische dimensie vol. Als je nog een stap

meer wil zetten, dan moet je ofwel naar een andere fermio-

nische dimensie overgaan, ofwel een stap terug zetten. Als

je een boson bent, dan verandert het zetten van n stap

in een fermionische dimensie je in een fermion; als je een

fermion bent, dan verandert n stap in een fermionischedimensie je in een boson. Meer nog, als je in een fermioni-

sche dimensie n stap zet en dan een stap terug zet, zal je

merken dat je je ook in de gewone ruimte of tijd minimaal

hebt verplaatst. Beweging in de fermionische dimensies is

dus, op een gecompliceerde manier, gelinkt aan gewone be-

weging.

Waarom is dit nu allemaal belangrijk? Omdat in een super-

symmetrische wereld de symmetrien tussen fermionische

dimensies de manier waarop deeltjes met elkaar kunnen in-

terageren, beperken. In het bijzonder kunnen zogenaamde

natuurlijke supersymmetrien in hoge mate de effecten van

virtuele deeltjes onderdrukken. Natuurlijke supersymme-

trien beletten higgsbosonen zo met hoogenergetische deel-

tjes te interageren dat we allemaal in zwarte gaten zouden

veranderen. Natuurlijke supersymmetrie maakt voor fysici

de weg vrij om nieuwe ideen te ontwikkelen die van het

Standaardmodel iets zinnigs maken.

Op zoek naar superpartners

Alle supersymmetrische theorien impliceren dat elk boson-

deeltje een fermion partnerdeeltje heeft, een superpartner,

en vice versa. Omdat geen van de bekende bosonen fermi-

ondeeltjes superpartners van elkaar lijken te zijn, kan su-

persymmetrie alleen correct zijn als er een groot aantal, nog

te ontdekken superpartnerdeeltjes bestaat. Dat is nu precies

de moeilijkheid. In de eenvoudigste, meest krachtige versies

van supersymmetrie natuurlijke supersymmetrie zouden

de superpartners niet veel zwaarder mogen zijn dan het

higgsboson. Dat betekent dat we ze met de Large HadronCollider moeten vinden. Had je het fysici tien jaar geleden

gevraagd, dan zouden de meesten van hen inderdaad heb-

ben gegokt dat we vandaag al een bewijs hadden voor het

bestaan van superpartners.

Toch deden we dat niet. Ik herinner mij de dag in 2009 dat

ik net voor middernacht bij de CMS-detector aan de slag

ging als hoofd van een nachtploeg. De controlekamer zat

vol fysici, ieder van hen bij een monitor van de verschillende

subsystemen van de bijzonder complexe, 14.000 metrische

ton wegende detector. Om twee uur die nacht kreeg ik tele-

foon van het CERN Control Center aan de andere kant van

de 27 kilometer lange ring van de Large Hadron Collider:

vannacht was d nacht. Ze gingen voor de hoogstenergeti-

Een vals

alarm in 2012:

twee oneven

deeltjesbundels(rood en paars)

impliceren het

ontsnappen

van donkere

superpartners

(groen).


37/52

sche protonenbotsing ooit uitgelokt. Om elf over vier was

de hele detector actief. Een muur van monitoren vertoonde

een wild beeld, met ultrasnel flitsende elektronische beel-

den van de botsingen, die twintig miljoen keer per seconde

optreden, honderd meter onder ons. Mijn hart ging wildtekeer in het vooruitzicht bepaalde patronen te herkennen.

Blijf rustig, zei ik tot mezelf, dit is nog maar een begin het

is verleidelijk botsingen visueel te analyseren, maar het is

onmogelijk op die manier iets te ontdekken.

Toch waren onze verwachtingen al van bij de prille start

hooggespannen. Met CMS (en met ATLAS) hadden we een

uitgebreid plan uitgewerkt om met de eerste data van de

Large Hadron Collider supersymmetrie te ontdekken. We

hadden hard gewerkt om in supersymmetrische signalen

deeltjes van donkere materie te vinden. Niet direct, maar

wel als ontbrekende energie: een onthullend onevenwicht

van zichtbare deeltjes die voor iets onzichtbaars terugdein-

zen. We gingen zelfs zo ver dat we al een template beschre-

ven om de ontdekking aan te kondigen, mt titel en datum.

Die paper moet nog altijd worden geschreven.

Leven na supersymmetrieTijdens een voordracht aan de University of California in

Santa Barbara sprak Princeton-fysicus Nima Arkani-Hamed

over de toekomst van supersymmetrie. Wat als we er niet in

slagen met de Large Hadron Collider het bestaan van super-

symmetrie aan te tonen, vroeg hij. En meteen beantwoordde

hij de vraag zelf: dan zullen we nieuwe supersymmetrische

modellen ontwikkelen die de superpartners net buiten het

bereik van de experimenten zullen plaatsen. Maar zou dat

niet betekenen dat we het hele verhaal herschrijven? Dat is

geen probleem; theoretici hoeven niet consistent te zijn al-

leen theorien moeten dat zijn.

Die onwankelbare trouw aan supersymmetrie wordt door

Upgrades van het CMS-experiment moeten in 2015 helpen bij de zoektocht naar supersymmetrie. Misschien zal dat zorgen voor enorme opwinding

onder deeltjesfysici, maar als de nieuwe run niets oplevert, worden we geconfronteerd met een breuk in het paradigma van de kwantumfysica.


38/52

velen gedeeld. Deeltjestheoretici geven echter toe dat de

idee van natuurlijke supersymmetrie nu al in moeilijkheden

verkeert en, als we niet snel superpartners vinden, op weg is

naar het schemerduister van de geschiedenis.

Als supersymmetrie ons geen echte beschrijving van de we-reld biedt, wat dan wel? Hier zijn drie verschillende, specu-

latieve antwoorden. Ze impliceren alle drie volkomen nieu-

we manieren van denken over basisfysica en kosmologie:

Het multiversum.De sterkte van de fundamentele krach-

ten en de relatieve grootte van de deeltjesmassa zijn gekop-

peld aan getallen waarvan de oorsprong een mysterie blijft.

We houden niet van het idee dat die getallen op louter toeval

gebaseerd zijn, want als ze ook maar lichtjes anders zouden

zijn, dan zag het universum er helemaal anders uit. Atomen

zouden zich slechts met moeite kunnen vormen, leven zou

niet in staat zijn te evolueren. In het jargon van de theore-

tische fysica heet het dat het universum wel fijn afgesteld

lijkt. Die afstelling is echter misschien niet meer dan toeval

een notie die aantrekkelijker wordt als we het bestaan van

een multiversum postuleren. In het scenario van een mul-

tiversum ontstond na de oerknal niet alleen het universum

dat wij nu waarnemen, maar ook een groot aantal variaties

op dat universum die we niet kunnen zien. In dit geval luidt

het antwoord op vragen zoals waarom heeft het elektron de

massa die het heeft?, dat het puur toeval is. Andere elektro-

nen in het multiversum hebben andere elektronen met een

andere massa.

Maar voor heel wat fysici vertoont het multiversum een wei-

nig comfortabele gelijkenis met onzichtbare engelen, die de

anomalien van de deeltjesfysica verklaren.

Extra dimensies. Fysici Lisa Randall van Harvard Univer-

sity en Raman Sundrum van de University of Maryland heb-

ben aangetoond dat een extra dimensie met een vervormde

geometrie de zwakte van de zwaartekracht kan verklaren.

Als die extra dimensies microscopisch klein zijn, dan is het

mogelijk dat we ze simpelweg nog niet hebben waargeno-

men. Maar hun grootte en vorm zouden op de hoogener-

getische deeltjesfysica wel een dramatisch effect kunnen

hebben. In zulke modellen kunnen we in plaats van met de

Large Hadron Collider superpartners te vinden, misschien

Kaluza-Klein-modes aantreffen, exotisch zware deeltjeswaarvan de massa eigenlijk hun energie van beweging in de

extra dimensies is.

Dimensionale transmutatie. In plaats van een beroep te

doen op supersymmetrie om effecten van virtuele deeltjes te

onderdrukken, bestaat een nieuw idee erin die effecten juist

te omarmen en ze te gebruiken om te verklaren waar massa

vandaan komt. Neem bijvoorbeeld protonen. Een proton is

geen elementair deeltje. Het bestaat uit drie quarks, elk met

een minuscule massa, en uit gluonen, die helemaal geen

massa hebben. Het proton is veel zwaarder dan de som van

de massas van de quarks en de gluonen die binnen zitten.

Waar komt die massa dan vandaan? Die komt van de ener-

getische velden die worden gegenereerd door de sterke

kracht die het proton bij elkaar houdt. Onze kennis van die

velden maakt het mogelijk om, op basis van gewone getallen

zoals pi, accuraat de massa van het proton te voorspellen.

Het is voor de fysica een vreemde situatie. Gewoonlijk kun-

nen we massa alleen berekenen door van andere massas

gebruik te maken. Zo biedt het Standaardmodel ons geenoplossing om de massa van het higgsboson te voorspel-

len we moeten die massa meten. In de wetenschap dat

we op een slimme manier de massa van het proton kunnen

voorspellen, lijkt dit op een duidelijke fout. Zich baserend

op eerder werk van William A. Bardeen, een fysicus van het

Fermilab, suggereren enkele theoretici nu dat de higgsmas-

sa wordt gegenereerd door een gelijkaardig proces dat we

dimensionale transmutatie noemen.

Om de nuttige effecten van virtuele deeltjes te behouden

en intussen toch de desastreuze effecten ervan te vermij-

den wat de rol is van supersymmetrie moeten we popu-

laire speculaties overboord gooien over de manier waarop

we de wetten van de fysica bij superhoge energien kunnen

Op de rand van de ondergang

Het higgsboson vertelt ons heel wat over het higgsveld, een energetisch veld dat

de kosmos doordringt en elementaire deeltjes massa geeft. Voor zover we we-

ten, is dat veld constant. Een plotse verandering zou immers het universum ver-nietigen. Toch toont de recent gemeten waarde van het higgsboson aan dat het

higgsveld niet helemaal stabiel is. Kwantumeffecten kunnen het in een lagere

energetische toestand brengen en tijdens dat proces het universum vernietigen.

Maar maakt u zich vooral geen zorgen: dat zal de komende miljarden jaren niet

gebeuren. Supersymmetrie zou het higgsveld stabiel helpen houden.

0 50 100 150 200

200

150

100

50

0

Topquarkmassa(ingigaelektronv

olt)

Onstabiel (zwart)

Metastabiel

(blauw)

Stabiel (groen)

Gemeten waarden


39/52

unificeren. Het maakt bovendien de lang gezochte connec-

tie tussen kwantummechanica en algemene relativiteit ng

mysterieuzer dan hij al was. Toch heeft deze benadering

ook voordelen. In zulke modellen kunnen dezelfde kwan-

tumeffecten massa genereren voor donkere-materiedeeltjes.Ze voorspellen ook dat donkere materie met gewone mate-

rie interageert via een kracht die door het higgsboson wordt

gemedieerd. Deze dramatische voorspelling zal de volgende

jaren getest worden, zowel met de Large Hadron Collider als

met ondergrondse experimenten om donkere materie te de-

tecteren.

Meer hints

De ontdekking van het higgsboson toont aan dat overal in

het universum een higgsenergieveld elementaire deeltjes

massa geeft. Dat betekent dat het vacum van de lege

ruimte een drukke omgeving is waar zowel higgsenergie als

virtuele deeltjes voor een gecompliceerde dynamiek zorgen.

We kunnen ons nu afvragen of het vacum echt stabiel is

en of een ongelukkige kwantumgebeurtenis op een dag een

catastrofale transitie van ons universum naar een schone lei

triggert. Supersymmetrie zorgt ervoor dat het vacum sta-

biel blijft, en verhindert dat iets dergelijks zou gebeuren.

Maar zonder supersymmetrie hangt de stabiliteit van het

vacum in hoge mate af van de massa van het higgsboson:

een zwaarder higgsboson impliceert een stabiel universum

terwijl een lichter een eventuele ondergang inhoudt. Op-

merkelijk is nu dat de gemeten massa van het higgsboson

zich precies op de grens bevindt, wat betekent dat het va-cum langlevend maar uiteindelijk onstabiel is. De natuur

probeert ons iets te vertellen, maar we weten niet wat.

De toekomst?

Als bij de volgende runvan de Large Hadron Collider super-

partners worden ontdekt, dan zal de huidige angst van de

deeltjesfysici plaatsmaken voor enorme opwinding. Als de

nieuwe runniets oplevert, dan worden we geconfronteerd

met een breuk in het paradigma voor ons basale begrijpen

van de kwantumfysica. Dat vooruitzicht inspireert nu al

tot het radicaal herdenken van basisfenomenen die aan de

basis van de samenstelling van het universum liggen. Een

beter begrip van de eigenschappen van het higgsboson zal

bij het ontwikkelen van nieuwe paradigmas centraal staan.

Experimentele signalen van donkere materie, die eenzame

maar hardnekkige uitschieter van de deeltjesfysica, kunnen

uiteindelijk misschien een baken zijn die ons de weg voor-

waarts wijst. Scientific American.


40/52

ASTROFYSICA

DE DUISTERE KANTVAN DE MELKWEG

Donkere materie stelt de astronomen niet alleen

voor raadsels, maar helpt hen ook bepaaldemysteries op te lossen.

Door Leo Blitz


41/52

Astronomen zijn maar heel geleidelijk gaan beseffen

hoe belangrijk donkere materie is in het heelal, maar

voor mij persoonlijk kwam dat inzicht in een flits. In het ka-

der van mijn eerste project als postdoctoraal onderzoeker

aan de Universiteit van Californi verrichtte ik in 1978 me-tingen aan de rotatiesnelheid van reusachtige moleculaire

wolken in de buitenste regionen van de Melkweg, waar

nieuwe sterren ontstaan. Nadat ik die snelheden had bere-

kend met de meest accurate methode waarover we destijds

beschikten, ging ik in de hal van het faculteitsgebouw zitten

om de uitkomsten handmatig op ruitjespapier uit te zetten.

Toevallig liepen daar twee andere Melkwegdeskundigen

langs, Frank Shu en Ivan King. Zij keken toe terwijl ik de

snelheden van de buitenste wolken in de grafiek invulde.

We zagen een patroon ontstaan dat in n oogopslag duide-

lijk maakte dat de Melkweg enorme hoeveelheden donkere

materie moet bevatten, vooral in de buitenste gebieden. Ge-

intrigeerd zaten we naar het papier te staren, en we braken

ons hoofd over de vraag wat de aard van die donkere materie

zou kunnen zijn, maar elk idee dat we wisten te verzinnen

bleek al snel onjuist.

Dit onderzoek was slechts een van de vele die de sterren-

kundigen er in de jaren 1970 en 1980 toe dwongen te con-

cluderen dat donkere materie een mysterieuze substan-

tie die geen licht uitzendt of absorbeert en zijn aanwezig-

heid alleen verraadt door de invloed die haar zwaartekracht

uitoefent niet alleen echt bestaat, maar zelfs het meest

voorkomende ingredint van het heelal is. Metingen door

de ruimtesonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy

Probe) bevestigen dat er vijf keer zoveel donkere materie be-

staat als gewone materie (protonen, neutronen, elektronen,

enzovoort). Wat dit nu eigenlijk voor substantie is, is nog

altijd een raadsel. De meest conservatieve hypothese gaat

ervan uit dat donkere materie bestaat uit een exotisch deel-

tje dat tot op heden niet is gedetecteerd in deeltjesversnel-

lers, maar dat wordt voorspeld door theorien die nog niet

zijn geverifieerd. De meest radicale hypothese luidt dat de

zwaartekrachtwet van Newton en de algemene relativiteits-

theorie van Einstein niet kloppen of in elk geval drastisch

herzien moeten worden, met alle onaangename gevolgen

van dien.

Ondanks deze grote hiaten in onze kennis levert donkere

materie ons de laatste tijd wel de sleutel om een aantal hard-nekkige mysteries te ontraadselen, bijvoorbeeld in verband

met ons Melkwegstelsel. Zo weten de astronomen al meer

dan vijftig jaar dat de buitenrand van de Melkweg kromge-

trokken is zoals een grammofoonplaat die een tijdje op een

verwarmingsradiator heeft gelegen. Ze slaagden er echter

niet in een model te ontwikkelen dat een plausibele verkla-

ring voor die vervorming bood tot ze op het idee kwamen

de effecten van de donkere materie in hun berekeningen op

te nemen. Computersimulaties van het ontstaan van ster-

renstelsels, gebaseerd op de veronderstelde eigenschappen

van donkere materie, voorspelden verder dat onze Melkweg

omringd zou moeten zijn door honderden of zelfs duizen-

den kleine satelliet-sterrenstelsels. Maar de waarnemingen

lieten er hoogstens zon twee dozijn zien. Als gevolg van

die discrepantie begonnen sommige onderzoekers eraan te

twijfelen of donkere materie wel de eigenschappen had die

men er tot dan toe aan had toegeschreven.

Maar de afgelopen jaren hebben verscheidene onderzoeks-

teams rondom de Melkweg diverse dwergstelsels ontdekt,

waardoor de kloof tussen theorie en waarneming iets klei-

ner is geworden. Deze nieuw ontdekte satellietstelsels le-

veren niet alleen een bijdrage aan de oplossing van een oud

probleem met betrekking tot de structuur van sterrenstel-

sels, ze vertellen ons misschien ook iets over de samenstel-

ling van de kosmos als geheel.

Om duidelijk te maken wat de donkere materie ons leert

over de Melkweg, moeten we eerst een algemeen beeld

schetsen van de opbouw van het sterrenstelsel. De gewone

materie sterren en gas bevindt zich voornamelijk in vier

structuren: een dunne schijf (met het patroon van spiraal-

In het kort

Donkere materie is een van de grote wetenschappelijke mysteriesvan onze tijd,

maar toen de astronomen eenmaal aanvaardden dat er werkelijk zoiets als donkere

materie bestaat, konden ze tal van andere raadsels van de kosmos oplossen.Zo kunnen we met behulp van donkere materie bijvoorbeeld verklaren waarom de

buitenste rand van de Melkweg zo duidelijk kromgetrokken is. Sterrenstelsels

die banen om de Melkweg beschrijven trekken er aan met hun zwaartekracht,

maar dat effect zou te zwak zijn als het niet werd versterkt door de aanwezigheid

van donkere materie.

Donkere materie verklaart ook waarom de Melkweg minder van dergelijke satel-

lietstelselslijkt te hebben dan de modellen voorspellen. De stelsels zijn er ver-

moedelijk wel, maar we kunnen ze moeilijk detecteren omdat ze vrijwel volledig

uit donkere materie bestaan.

De nevel N44

in de Grote

Magelhaense

Wolk, een groot

satellietstelsel dat

vermoedelijk de

donkere materie

in de Melkweg in

beroering brengt.


42/52

armen waar ook onze zon in ligt), een dichte kern (die een

superzwaar zwart gat herbergt), een langwerpige centrale

verdikking die ook wel de balk wordt genoemd, en een el-

lipsvormige halo van oude sterren en clusters die de rest van

de Melkweg omhult. De donkere materie is heel anders ge-structureerd. Hoewel we haar niet kunnen zien, kunnen we

uit de rotatiesnelheden van sterren en gaswolken afleiden

waar de donkere materie zich moet bevinden. De gravita-

tie-effecten op de zichtbare materie doen vermoeden dat de

donkere materie bij benadering een bol vormt die zich uit-

strekt tot ver buiten de halo en een dichtheid heeft die in

het centrum het hoogst is en ongeveer met het kwadraat van

de afstand tot het centrum afneemt. Een dergelijke verde-

ling zou het natuurlijke resultaat zijn van een proces dat de

astronomen hierarchical merging noemen: het idee is dat in

het vroege heelal kleine sterrenstelsels samenklonterden en

zo grotere vormden, inclusief onze Melkweg.

Jarenlang wisten de astronomen geen betere beschrijving

van de donkere materie te geven dan het basale beeld van

een gigantische, ongedifferentieerde bol van een ongeden-

tificeerde substantie. Maar de laatste jaren zijn we erin ge-

slaagd wat meer details bijeen te sprokkelen, en het blijkt

dat donkere materie veel interessanter is dan we hadden

verwacht. Van verschillende kanten komen aanwijzingen

dat deze substantie niet zo gelijkmatig is verdeeld, maar op

grote schaal allerlei klonters vertoont.

Die ongelijkmatige verdeling zou het bestaan en de omvang

van de vervorming van de Melkweg kunnen verklaren, het

feit dat de schijf aan de rand als het ware is kromgetrok-

ken. Op een afstand van ongeveer 50.000 lichtjaren van het

centrum bestaat de schijf vrijwel volledig uit atomair water-

stofgas, met slechts een paar sterren. Als we dat gas met

een radiotelescoop bekijken, blijkt het niet in het vlak van

de Melkweg te liggen. Hoe verder van het centrum, des te

groter is de afwijking. Op een afstand van ongeveer 75.000

lichtjaren is de schijf zon 7.500 lichtjaren uit het vlak ge-

bogen.

Het gas draait niet alleen om het centrum van de Melkweg,

maar golft tegelijk ook op en neer, in en uit het vlak. Deze

trillingen strekken zich uit over periodes van honderden

of miljoenen jaren, en wij zien op een gegeven tijdstip een

momentopname van die cyclus. In

Donkere_materie___superdeeltjes

Documents

Transcript of Donkere_materie___superdeeltjes