Deel dit artikel

wat is de ‘stof’ waaruit alle materie is opgebouwd? dit is een oude vraag die nog geen definitief wetenschappelijk antwoord heeft. maar er wordt vooruitgang geboekt. in het europese laboratorium voor deeltjesfysica in genève werden de grote middelen ingezet om het ‘higgsdeeltje’ te vinden, dat wellicht verantwoordelijk is voor de massa van alle materie. en met succes: op 4 juli 2012 kondigde cern aan dat het deeltje werd gevonden.

Op zoek naar de oorsprong van massa

Raymond Gastmans en Walter Troost

Sinds de negentiende eeuw weet men dat alle stoffen – zoals lucht, water of eiwit – bestaan uit moleculen. Die moleculen zijn alle opgebouwd uit slechts een honderdtal verschillende soorten atomen, die netjes gerangschikt werden in de tabel van Mendelejev (1869). Vooraan in de tabel vindt men de lichte atomen, zoals waterstof of helium, en op het einde van de tabel staan de zware elementen, zoals kwik, uraan en radium. De eigenschappen van die atomen en hun interacties liggen aan de basis van onze scheikundige kennis. In een traditie die tot Democritus teruggaat, werden al die atomen geacht ‘ondeelbaar’ en ‘eeuwig’ te zijn. In het begin van de twintigste eeuw liet men die idee los. De ontdekking van radioactieve verschijnselen werd al vlug verklaard vanuit het feit dat sommige atomen niet stabiel zijn, maar zich spontaan kunnen omzetten in lichtere atomen, onder het uitzenden van verschillende soorten straling. De ondeelbaarheid van de chemische atomen bleek evenmin houdbaar: ze zijn immers samengesteld uit een positief geladen kern met daarrond een negatief geladen elektronenwolk. De kern op haar beurt is opgebouwd uit protonen en neutronen. Verschillende atomen onderscheiden zich door het aantal protonen in hun kern: bij waterstof is er één proton in de kern, bij kwik zijn er tachtig.

De tak van de wetenschap die deze subatomaire bestanddelen ging bestuderen werd de ‘deeltjesfysica’ genoemd, of ook ‘hoge-energiefysica’. We vermelden twee mijlpalen in die studie. Eerst is er de ontdekking van kosmische straling: de kosmos bombardeert de dampkring met een stroom hoogenergetische deeltjes. Dit leidt tot de creatie van nieuwe deeltjes in de dampkring zoals het muon, dat sterk op het elektron gelijkt, maar tweehonderd keer zwaarder is (het leeft gemiddeld 10-6 seconden). Daarnaast werden ook deeltjesversnellers gebouwd: toestellen waarmee bijvoorbeeld protonen kunnen worden versneld tot heel hoge snelheden, om ze vervolgens in te schieten op doelwitten zoals lood. Uit die hoogenergetische botsingen ontstaan nieuwe subatomaire deeltjes, die vergelijkbaar zijn met protonen en neutronen maar tot dan ongeziene eigenschappen hadden, zoals een veel kortere levensduur, soms minder dan 10-26 seconden. Kortom, het werd ingewikkeld.

Deeltjesversnellers zijn toestellen waarmee protonen kunnen worden versneld tot heel hoge snelheden, om ze vervolgens in te schieten op doelwitten zoals lood

In de tweede helft van de twintigste eeuw werd enige orde gebracht in de stroom van nieuwe deeltjes via een verdere hypothetische substructuur. Protonen en neutronen, samen met de aanverwante baryonen, kunnen het best worden begrepen als opgebouwd uit nog fundamentelere deeltjes, de zogenaamde ‘quarks’. Tegenwoordig kent men zes verschillende quarks (en hun antideeltjes, want voor ieder deeltje is er een antideeltje) en de specifieke quarksamenstelling van honderden van de deeltjes die bij hoge-energiebotsingen worden geproduceerd. Zo bestaat het proton uit twee zogeheten up-quarks en één down-quark, en het neutron bestaat uit één up-quark en twee down-quarks. Die substructuur moeten we eigenlijk ‘hypothetisch’ noemen omdat niemand een afzonderlijke quark heeft waargenomen, maar ze is toch universeel aanvaard als geldig beeld voor wat zich in die deeltjes afspeelt.

Om deze schets te vervolledigen vermelden we dat het elektron en het muon intussen ook vier nieuwe partners hebben gekregen, die alle samen ‘leptonen’ worden genoemd – een naam bedacht door de Belgische natuurkundige Léon Rosenfeld. Een voorbeeld vormen de neutrino’s die in grote aantallen door de zon uitgestuurd worden. Als we alles op een rij zetten, dan zijn er zes quarks (bouwstenen van neutronen, protonen en baryonen) en zes leptonen (elektronen, muonen enzovoort) die momenteel de diepste bekende structuur van de materie vormen. Is er een verdere substructuur voor quarks en leptonen? Het antwoord luidt: misschien wel, misschien niet. Omdat er geen theoretische noodzaak is, is dit momenteel een zuiver experimentele vraag. Om die substructuur te onderzoeken is zware apparatuur nodig. De deeltjeswereld wordt immers beheerst door de wetten van de kwantummechanica en die leert ons dat om kleinere afstanden te onderzoeken, men grotere energieën nodig heeft. In de praktijk wil dit zeggen dat er grotere en krachtigere versnellers nodig zijn. Met de huidige versnellers werden nog geen aanwijzingen gevonden voor een substructuur voor quarks en leptonen.

De deeltjesfysica wil niet alleen achterhalen wat de kleinste bestanddelen van de materie zijn, maar wil ook de krachtwetten ontdekken die het gedrag van die deeltjes beheersen

De deeltjesfysica wil niet alleen achterhalen wat de kleinste bestanddelen van de materie zijn, maar wil ook de krachtwetten ontdekken die het gedrag van die deeltjes beheersen. In onze dagelijkse leefwereld zijn dat al driehonderd jaar lang de wetten van Newton, met daarbij in hoofdzaak de elektromagnetische krachtwerking (die ontrafeld werd in de negentiende eeuw). Voor de deeltjesfysica zijn er een paar complicaties: de kwantummechanica eist haar plaats op omdat we met microscopisch kleine afstanden te maken hebben, en de (speciale) relativiteitstheorie is nodig omdat de hoogenergetische deeltjes zich verplaatsen met snelheden dicht bij de lichtsnelheid. Uit de noodzaak om die complicaties het hoofd te bieden is de kwantumveldentheorie ontstaan, als een manier om de krachtwetten voor elementaire deeltjes te beschrijven. Het prototype is de kwantumelektrodynamica, die als model voor de beschrijving van elektromagnetische verschijnselen successen heeft geboekt zonder weerga. We geven hier slechts één voorbeeld: de overeenstemming van de modelberekening voor het magnetisch moment van het elektron stemt overeen met de experimentele resultaten hiervoor tot op acht decimale cijfers diep. De opdracht werd dus een kwantumveldentheorie te zoeken voor deeltjeskrachten, naar het model van het elektromagnetisme. Die theorie moet gelden voor alle deeltjeskrachten, dus ook voor de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor de radioactiviteit, en voor de sterke kracht, die verantwoordelijk is voor het binden van de quarks. De eerste pogingen stuitten, net als voor elektromagnetisme, op een probleem van divergenties: als men nauwkeurige berekeningen wilde maken van fysische grootheden zoals overgangswaarschijnlijkheden, dan was het resultaat dikwijls ‘oneindig’, of beter gezegd zinloos.

In 1954 hadden Chen Ning Yang en Robert Mills het idee dat symmetrie, die zo dikwijls een belangrijke rol speelt in de fysica, ook diende te worden aangewend in het construeren van een kwantumveldentheorie. Een eenvoudige symmetrie is bijvoorbeeld de links-rechtssymmetrie van een voorwerp, als zijn linkerhelft precies de rechterhelft kan bedekken. Een ander voorbeeld is de sferische symmetrie van een bolvormig voorwerp: vanuit iedere hoek ziet die er net hetzelfde uit. De Yang-Mills-symmetrie is abstracter en is terug te vinden in een soort ‘inwendige’ ruimte voor de deeltjes, een ruimte waarin bijvoorbeeld elektronen en neutrino’s er hetzelfde uitzien. Hun procedé leidde tot een eindige theorie, vrij van divergenties, maar helaas kwamen in deze theorie de massarelaties van de deeltjes niet overeen met de werkelijkheid. Zo is het neutrino (haast) massaloos, maar het elektron niet. Een ander aspect hiervan was dat alle krachten een oneindige reikwijdte zouden moeten hebben. Voor de elektromagnetische krachten klopt dit wel, maar de zwakke kernkrachten hebben slechts een reikwijdte van 10-18 m. Aan de deeltjes ab initio een correcte massa geven komt jammer genoeg niet overeen met de onderliggende symmetrie.

Het zou tien jaar duren voor een oplossing gevonden werd voor dit probleem: in 1964 werd de spontane symmetriebreking beschreven. Spontane symmetriebreking treedt op als de onderliggende theorie een bepaalde symmetrie heeft, maar de grondtoestand van het systeem die niet respecteert. Een eenvoudig voorbeeld: zet een potlood op zijn punt verticaal op de tafel en laat het los. Het potlood zal vanzelfsprekend neervallen op de tafel in één of andere richting, hoewel het voor gravitatiekracht noch voor het potlood iets uitmaakt welke richting dat is: die zijn symmetrisch. De toestand van de laagste energie – het potlood dat op de tafel ligt – respecteert die symmetrie van de gravitatie niet: de rotatiesymmetrie is spontaan gebroken in dit geval. Het is de grote verdienste van François Englert en Robert Brout, die beiden verbonden zijn aan de Université Libre de Bruxelles, dat ze als eersten de spontane symmetriebreking in de veldentheorieën van Yang en Mills wisten in te voeren. Het verrassende eerste resultaat was dat de reikwijdte van de krachten in orde kwam, zodat de toepassing op zwakke interacties open lag. Bovendien kunnen hierdoor de deeltjes een fysisch correcte massa krijgen, en wordt tegelijkertijd het optreden van de divergenties vermeden. Daarnaast voorspelde hun mechanisme dat er, bij toepassing in het ‘standaardmodel’ voor elektromagnetische en zwakke interacties (dat we verderop bespreken), een bijkomend, tot dan onvermoed deeltje zou moeten bestaan, tegenwoordig – en niet helemaal terecht – bekend als het ‘Higgsdeeltje’.

Brout en Englert waren inderdaad niet de enigen met dit idee. De Brit Peter Higgs diende hierover een publicatie in, een maand en één dag na Brout en Englert. Dat dit mechanisme nu wereldwijd bekend staat als het ‘Higgsmechanisme’ is dan ook niet terecht. De voorspelling werd gehonoreerd met verschillende prestigieuze wetenschappelijke prijzen, die een objectiever beeld geven van de toekenning van verdiensten. Brout, Englert en Higgs ontvingen in 1997 de prijs van de European Physical Society, en in 2005 de Wolfprijs (Israël) voor wetenschap en kunst. Na de Nobelprijs is die wellicht de meest prestigieuze prijs die er bestaat. Samen met nog drie fysici (twee Amerikanen en een Brit) ontving het drietal in 2010 ook de Sakuraiprijs voor theoretische deeltjesfysica van de American Physical Society. Het is duidelijk dat zich hier een gevecht op hoog niveau afspeelt, een gevecht om een eventuele toekomstige Nobelprijs, zeker nu in de context van de geünificeerde elektromagnetische en zwakke interactietheorie de voorspellingen van dit Brout-Englert-Higgsmechanisme gerealiseerd werden. Eén van de eersterangskandidaten heeft de ontdekking van het Higgsdeeltje niet meer mogen meemaken: op 3 mei 2011 overleed Robert Brout. De Belgische fysica verloor daarmee niet alleen een potentiële winnaar van de Nobelprijs voor natuurkunde, maar vooral een vorser in hart en nieren, die gedurende tientallen jaren een stimulans is geweest voor de theoretische fysica in ons land.

De toepassing van de Yang-Mills-theorie heeft, in samenspel met het mechanisme van spontane symmetriebreking, geleid tot een zeer succesvolle theorie van sterke en elektrozwakke wisselwerkingen, die nu gekend is als ‘standaardmodel’. Binnen dit model werden sinds 1974 talrijke voorspellingen nagemeten en bevestigd. En op 4 juli 2012 werd ook het laatste element bevestigd: het bestaan van het deeltje van Brout-Englert-Higgs. Het standaardmodel leerde ons waarin dit kortlevende deeltje zou vervallen. We konden het dus in principe herkennen aan zijn vervalproducten, maar we wisten niet hoe zwaar het nieuwe deeltje was. Alle observaties waren compatibel met een massa die ongeveer 120 maal groter was dan die van het proton. Om alle twijfel weg te nemen werd in het Europese Laboratorium voor Deeltjesfysica in Genève de Large Hadron Collider (LHC) gebouwd. De ruchtbaarheid die werd gegeven aan de moeizame start, met een gedwongen onderbreking van een jaar, nam niet weg dat die machine een zeer goed draaiend en indrukwekkend apparaat werd ten dienste van ‘the largest experiment on earth’.

De LHC is opgesteld in een cirkelvormige tunnel, zo’n 50 tot 175 m onder de grond, met een omtrek van 27 km. In die tunnel bevinden zich twee pijpen, waarin een ultrahoog vacuüm heerst en waarin protonen versneld worden en in banen geleid door zowat 5.000 supergeleidende magneten. De protonen circuleren aan zeer hoge snelheid en maken 10.000 omwentelingen per seconde in de tunnel. In de twee pijpen bewegen de protonen in tegengestelde zin en op vier plaatsen worden ze frontaal met elkaar in botsing gebracht. Bij zo’n botsing komt heel veel energie vrij, waaruit talloze deeltjes worden geschapen. Reusachtige detectoren (onder andere de CMS-detector, waaraan de vereende Belgische experimentele deeltjesfysici voor zes procent bijdragen) registreren de banen van de geschapen deeltjes. Al die informatie wordt in een netwerk van computers over de hele wereld verspreid en geanalyseerd. In die gegevens zat het signaal van het Higgsdeeltje verborgen. Het was nodig om voldoende Higgsdeeltjes te produceren om met enig vertrouwen van een ‘ontdekking’ te kunnen spreken, en dat vroeg tijd. Ondertussen was ook een andere versneller, de Tevatron in Fermilab bij Chicago, al geruime tijd op zoek naar het Higgsdeeltje – weliswaar bij een lagere energie, wat minder gunstig was. Op 30 september 2011 stopte dat lab met het Tevatrononderzoek, wat de gespannen aandacht voor de zoektocht naar het Higgsdeeltje richtte op Genève, op CERN en op de LHC. Het deeltje krijgt zoveel aandacht omdat de ontdekking ervan een bevestiging is dat we een belangrijke stap hebben gezet naar het beter begrip van wat ‘massa’ eigenlijk betekent.

Een vorige mijlpaal was Einsteins verduidelijking van het massabegrip dat Newton ons leerde kennen. Newton gebruikte massa in (minstens) twee verschillende contexten. Enerzijds is het een eigenschap die bepaalt hoe sterk de beweging van een voorwerp reageert (de versnelling) op een gegeven krachtwerking: massa als maat voor inertie in andere woorden. Anderzijds bepaalt de massa van een voorwerp ook hoe sterk de gravitatiekracht is die van dat voorwerp uitgaat en ook hoe sterk de gravitatiekracht is die het zelf ondervindt: hoe groter de massa, hoe sterker de zwaartekracht. Einstein leerde ons in zijn algemene relativiteitstheorie dat die verschillende noties samenvallen. Het verbeterde, eengemaakte massabegrip hangt dus sterk samen met de verbetering van de theorie van de zwaartekracht.

Voor het eerst in de geschiedenis hebben we nu te maken met een deeltje dat aan de basis ligt van alle massa

En laat die gravitatietheorie, in het licht van de kwantumtheorie, nu juist problemen stellen, bekend sinds meer dan tachtig jaar. Er bestaat geen kwantumveldentheorie van de gravitatie – de speculatieve snaartheorie even buiten beschouwing gelaten – die niet geplaagd is met de divergenties waarover we het al eerder hadden. In de gravitatie staat het begrip ‘massa’ centraal, maar wat is massa? En waar komt die vandaan? Het enige wat we kunnen zeggen is dat het een attribuut is dat aan voorwerpen wordt toegekend, dat ons in staat stelt berekeningen en voorspellingen te maken over het gedrag van die voorwerpen, maar de oorsprong ervan begrijpen we niet. Voor het eerst in de geschiedenis hebben we nu te maken met een deeltje dat aan de basis ligt van alle massa. Ongetwijfeld zal een gedetailleerde studie van het Brout-Englert-Higgsdeeltje nieuwe inzichten opleveren en nieuwe, onverwachte vragen stellen. Het CERN heeft alvast één antwoord gegeven: het Higgsdeeltje bestaat .

CERN Press Release, 4 juli 2012,
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2012/PR17.12E.html

Raymond Gastmans en Walter Troost zijn als fysici verbonden aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen