Deel dit artikel

de elementairedeeltjesfysica, ook gekend onder de naam hoge-energiefysica, is een van de grote deelgebieden van de natuurkunde. getuige daarvan bijvoorbeeld het feit dat ruim één derde van de naoorlogse nobelprijzen fysica werd toegekend aan wetenschappers uit dit domein. zij bevinden zich op dit moment op een scharnierpunt: de komende jaren zullen ze beslissingen moeten nemen die een grote impact zullen hebben op de wetenschap, minstens tot het einde van deze eeuw. daarbij moet onder andere het zogeheten standaardmodel verder aangevuld worden.

Elementairedeeltjesfysica, quo vadis?

Alexander Sevrin

Begin dit jaar werd de eerste voorzet al gegeven. CERN kwam naar buiten met haar mogelijke plannen voor de toekomst: een cirkelvormige deeltjesversneller, de Future Circular Collider oftewel FCC, van maar liefst 100 km lang, die fysici in staat zal stellen om de natuur op een ongezien kleine schaal te bestuderen. De versneller zou begin jaren 2040 operationeel worden en tot diep in het laatste kwart van onze eeuw data blijven aanleveren. Bijna onmiddellijk na de aankondiging hiervan volgde een stroom aan reacties via sociale en andere media die vaak dezelfde boodschap hadden: hoge-energiefysica is nu ‘afgewerkt’, er is immers niets fundamenteels meer dat in een niet al te verre toekomst bijgeleerd en/of begrepen kan worden. De vraag is dan ook of verdere grote investeringen in de elementairedeeltjesfysica, zowel in mankracht als financieel, dan nog wel te verantwoorden zijn. Hoewel de auteurs van deze doemberichten dikwijls niet gehinderd werden door al te veel vakkennis, lokken deze opinies toch enige reflectie uit. Waar staan we en waar gaan we naartoe? In dit essay zal ik mij beperken tot het wetenschappelijke luik en er hopelijk in slagen om duidelijk te maken dat de verwezenlijkingen binnen dit veld weliswaar adembenemend zijn, maar dat desondanks grootse vragen nog steeds op een antwoord wachten.

Wat is elementairedeeltjesfysica nu precies? Een blik op de belangrijkste problemen en vragen die men in deze discipline wenst te beantwoorden maakt meteen veel duidelijk:

(1) Wat zijn de kleinste deeltjes waaruit alle materie om ons heen opgebouwd is?

(2) Deze deeltjes interageren met elkaar en geven zodoende aanleiding tot de macroscopische structuren die we waarnemen. Deze interacties of krachten manifesteren zich op de meest diverse manieren. Kunnen we dit reduceren tot een beperkt aantal krachten? Anders gesteld: wat zijn de fundamentele interacties in onze wereld?

(3) Kunnen we dit begrijpen? Met andere woorden: kunnen we een stel fysische principes of wetmatigheden formuleren die ons in staat stellen om met een gering aantal experimenteel te bepalen parameters elementaire deeltjes en hun onderlinge interacties te beschrijven? Dit laatste zou niet enkel kwalitatief moeten, maar ook kwantitatief.

De eerste vraag is wellicht even oud als de mensheid. Al in de vijfde eeuw voor Christus formuleerde Empedocles een eenvoudige hypothese: de wereld is opgebouwd uit vier elementen, namelijk vuur, lucht, water en aarde. Nu, bijna 25 eeuwen later, is ons beeld van de elementaire bouwstenen van de materie weliswaar immens geëvolueerd, maar het is amper ingewikkelder geworden: de wereld bestaat nog steeds uit vier “elementen”, of vier soorten fundamentele bouwstenen, namelijk quarks, leptonen, krachtdeeltjes en Brout-Englert-Higgs- (of scalaire) deeltjes.

Elementairedeeltjesfysica in haar moderne gedaante werd in 1897 geboren met de ontdekking van het eerste elementaire deeltje, het elektron, door J. J. Thompson. In goed één eeuw tijd is onze kennis van de structuur van de materie exponentieel gegroeid. In wat hierna volgt zal ik pogen onze belangrijkste inzichten op te lijsten en uit te leggen.

We beginnen met een reis naar het allerkleinste. Materie is opgebouwd uit atomen die ongeveer 0,1 nanometer klein zijn. Dat is ongeveer één miljoen maal kleiner dan de diameter van een menselijk haar. Reeds in 1911 ontdekte Rutherford dat atomen niet elementair zijn: ze bestaan uit een elektrisch positief geladen kern, ruim tienduizend maal kleiner dan het atoom zelf, waar negatief geladen deeltjes, elektronen, omheen cirkelen. Ook de atoomkern is niet elementair, ze bestaat uit positief geladen protonen en elektrisch neutrale neutronen. Zelfs protonen en neutronen zijn niet elementair, maar opgebouwd uit quarks. Twee upquarks en één downquark vormen samen een proton, terwijl twee downquarks en één upquark een neutron vormen. Voor zover we nu weten zijn elektronen, up- en downquarks elementair: tot op de kleinste afstanden die we kunnen waarnemen (0,1 attometer, ofwel een miljard maal kleiner dan een atoom) zien we geen verdere substructuur. Naast het elektron, de up- en de downquark hebben we ook nog het (elektron)neutrino, een bijzonder licht deeltje dat amper met de rest van de wereld interageert en dat bijvoorbeeld in de zon in gigantische aantallen geproduceerd wordt.

De wereld is dus opgebouwd uit twee soorten quarks, elektronen en elektronneutrino’s; die laatste twee noemt men samen ook leptonen. Het uiteindelijke beeld is iets complexer: om een nog niet begrepen reden heeft de natuur beslist om dit patroon nog tweemaal, telkens in een zwaardere versie, te kopiëren. Er zijn dus drie families van elementaire materiedeeltjes, waarbij elke familie uit twee leptonen en twee quarks bestaat. Deze drie families worden generaties genoemd: ze hebben weliswaar een andere massa, maar zijn voor de rest identiek. De deeltjes in de twee zwaardere generaties leven slechts kortstondig (waarna ze naar deeltjes uit de eerste en lichtste generatie vervallen) en komen bijvoorbeeld voor in kosmische straling. Ze worden eveneens geproduceerd en bestudeerd in deeltjesversnellers hier op aarde.

Het uiteindelijke beeld is allesbehalve complex: alle krachten om ons heen, in al hun verschillende manifestaties, kunnen herleid worden tot vier fundamentele krachten

Kijken we nu naar de fundamentele interacties. Ook hier is het uiteindelijke beeld allesbehalve complex. Alle krachten om ons heen, in al hun verschillende manifestaties, kunnen herleid worden tot vier fundamentele krachten. Twee hiervan zijn macroscopisch waarneembaar en ons allen welbekend: de elektromagnetische kracht en de zwaartekracht. We zijn echter minder vertrouwd met de twee andere krachten, die zich enkel over bijzonder kleine afstanden laten zien, typisch de grootte van een atoomkern. De ‘sterke kracht’ is onder meer verantwoordelijk voor de stabiliteit van atoomkernen. Hierboven werd al aangehaald dat een kern uit protonen en neutronen bestaat. Protonen hebben een positieve elektrische lading en bijgevolg stoten ze elkaar via de elektromagnetische kracht af. Op de schaal van een atoomkern is de sterke kracht echter ook relevant en haalt haar aantrekkend vermogen het op de afstotende elektromagnetische kracht, met als gevolg dat een stel protonen (en neutronen) toch stabiel gebonden kan zijn in een atoomkern. Uiteindelijk is er nog de “zwakke kracht”, die verantwoordelijk is voor bepaalde vormen van radioactief verval en een centrale rol speelt bij de thermonucleaire processen die onze zon doen schijnen.

Hoewel de zwaartekracht sterk aanwezig is in ons dagelijkse leven, wordt ze normaliter buiten beschouwing gelaten in de elementairedeeltjesfysica. De reden hiervoor is dat, op lengteschalen die momenteel experimenteel toegankelijk zijn, de zwaartekracht onvoorstelbaar veel zwakker is dan de drie andere krachten. Neem bijvoorbeeld een waterstofatoom dat bestaat uit één proton en één elektron. Deze trekken elkaar zowel aan via de zwaartekracht (beschreven door Newtons universele zwaartekrachtwet) als via de elektromagnetische kracht (beschreven door de wet van Coulomb). Een eenvoudige rekenoefening toont onmiddellijk aan dat de elektromagnetische kracht meer dan 1039 (een 1 gevolgd door 39 nullen!) maal sterker is dan de zwaartekracht, die dus geheel en al verwaarloosbaar is. De zwakheid van gravitatie is trouwens één van de redenen waarom de zwaartekracht nog steeds de minst goed begrepen fundamentele interactie is.

Hoewel de zwaartekracht sterk aanwezig is in ons dagelijkse leven, wordt ze normaliter buiten beschouwing gelaten in de elementairedeeltjesfysica

Elementaire materiedeeltjes, quarks en leptonen, en hun onderlinge interacties via de elektromagnetische, sterke en zwakke kracht worden beschreven door het zogenaamde ‘Standaardmodel van de Elementairedeeltjesfysica’. Deze theorie werd  grotendeels ontwikkeld gedurende de periode 1960-1975, waarna hier en daar nog wat aanpassingen werden gemaakt). Volgens het Standaardmodel (SM) interageren elementaire deeltjes met elkaar door krachtdeeltjes uit te wisselen. Het krachtdeeltje dat de elektromagnetische interactie bewerkstelligt is het massaloze foton; voor de zwakke kracht hebben we de massieve W- en Z-bosonen. De sterke wisselwerking wordt door 8 massaloze gluonen gemedieerd. De precieze wiskundige structuur van de theorie wordt grotendeels via symmetrieën bepaald en garandeert kwantummechanische consistentie (een voorwaarde die bijzonder stringente beperkingen oplegt aan de structuur).

We weten dat elementaire materiedeeltjes een (rust)massa hebben. Zo ook de dragers van de zwakke wisselwerking, de W- en Z-bosonen. Massa werd in 1964 op een kwantummechanisch consistente wijze geïntroduceerd in het model door Robert Brout en François Englert van de Université Libre de Bruxelles (onafhankelijk van Brout en Englert verkreeg de Brit Peter Higgs ietwat later analoge resultaten). De prijs die men betaalt om deeltjes op consistente wijze massief te maken is de introductie van een nieuw deeltje, het Brout-Englert-Higgsdeeltje, kortweg het Higgsdeeltje. Dit deeltje is het enige “scalair” elementair deeltje in de natuur. Een scalair deeltje heeft behalve massa geen enkele andere eigenschap, das Teilchen ohne Eigenschaften als het ware. Elk deeltje dat met het Brout-Englert-Higgsdeeltje interageert verwerft zelf een massa. De precieze details van deze interacties worden opnieuw eenduidig door het SM bepaald.

Het SM voorspelde talrijke nieuwe fysische fenomenen die in de periode 1973-2012 allemaal experimenteel bevestigd werden. Hier volgt een korte (en onvolledige) bloemlezing. Om te beginnen voorspelde het SM een nieuwe zwakke interactie, de zogenaamde neutrale interactie, die in 1973 door het CERN-experiment Gargamelle (waarbij ook de Université Libre de Bruxelles en de Vrije Universiteit Brussel een centrale rol speelden) ontdekt werd. De wijze waarop elementaire deeltjes met elkaar interageren via de elektromagnetische, de zwakke en de sterke kracht wordt heel nauwkeurig door het SM voorspeld. Gedurende het laatste kwart van vorige eeuw werden die voorspellingen allen met ongeziene precisie geverifieerd in experimenten aan de SPS-, de SPP̅S- en LEP-versnellers op het CERN, de Tevatronversneller in Chicago en vele kleinere faciliteiten verspreid over de hele wereld.

Eén van de absolute hoekstenen van het SM is het Brout-Englert-Higgsdeeltje, waarvan de natuur totaal verschilt van de andere waargenomen deeltjes en dat cruciaal is voor de generatie van massa. Toen in de herfst van 2008 de Large Hadron Collider (LHC) te CERN operationeel werd, was het bestaan van het Brout-Englert-Higgsdeeltje de enige majeure voorspelling van het SM die nog niet experimenteel geverifieerd was. Enkele jaren later, op 4 juli 2012, werd de ontdekking van het Brout-Englert-Higgsdeeltje door de CMS- en Atlas-experimenten aan het LHC bekendgemaakt. In de daaropvolgende jaren werden de eigenschappen van dit deeltje met grote precisie gemeten en de consensus is nu dat dit deeltje zich precies gedraagt zoals het SM voorspelde.

Samengevat geeft het SM ons een excellente beschrijving van de natuur op de allerkleinste waarneembare afstanden (10-15 tot 10-19 meter): drie generaties elementaire materiedeeltjes die krachtdeeltjes met elkaar uitwisselen en waarbij het Brout-Englert-Higgsmechanisme massa genereert. Het model is eenvoudig (tenminste voor diegenen die er enkele jaren fysica studeren voor over hebben) en elegant. Alle nieuwe fenomenen die door het SM voorspeld werden, zijn ondertussen experimenteel ontdekt en precisiemetingen van de meest diverse fysische processen zijn op adembenemende wijze consistent met het Standaardmodel.

Alle nieuwe fenomenen die door het Standaardmodel voorspeld werden, zijn ondertussen experimenteel ontdekt, en precisiemetingen van de meest diverse fysische processen zijn op adembenemende wijze consistent met het model

Is ons verhaal hiermee ten einde gekomen? In principe kan het inderdaad zo zijn dat het SM geldig blijft tot afstanden van de orde 10-35 m, dus een miljoen maal een miljard maal kleiner dan de kleinste afstanden die we nu observeren (en bijgevolg volledig onbereikbaar voor ons, zowel in de nabije als in de zeer verre toekomst). Dit is de Planckschaal en we weten dat het SM zoals we het nu kennen daar niet meer zal opgaan. Op deze uiterst kleine afstanden wordt de zwaartekracht immers een sterke kracht en verwachten we dat bijvoorbeeld de eigenschappen van tijd en ruimte totaal veranderen. Maar verwachten we ook dat er geen nieuwe natuurkundige fenomenen te vinden zijn tussen de lengteschalen die we nu kunnen verkennen en de Planckschaal?

Het antwoord op deze vraag is natuurlijk nee. Zoals steeds opnieuw gebeurt in de wetenschap, roept een antwoord op een vraag verschillende nieuwe vragen op. Onbeantwoorde vragen die onmiddellijk in het oog springen zijn bijvoorbeeld: “Waarom vier fundamentele krachten?” en “Waarom slechts drie generaties elementaire materiedeeltjes?”. Hierna volgt nog een (onvolledige) lijst met belangrijke open problemen.

Het SM bevat een beperkt aantal parameters die experimenteel bepaald moeten worden. Waarom die parameters nu net die gemeten waarden hebben, is natuurlijk een open vraag. Zo weten we dat, behalve het foton en de gluonen, alle andere materie- en krachtdeeltjes massa hebben. In het SM zijn de waardes van hun massa’s vrije parameters die experimenteel gemeten worden. Het zwaarste deeltje is de topquark, die zomaar eventjes 300 000 maal zwaarder is dan het elektron. Alle andere deeltjes, behalve de neutrino’s, hebben massa’s die schijnbaar willekeurig tussen deze twee extremen liggen. En dan zijn er nog de neutrino’s, waarvan de massa 10 miljoen maal kleiner is dan de massa van het elektron… Zonder een degelijke uitleg voor deze vastgestelde distributie van waarden blijft het SM onvolledig.

Een rechtstreeks gevolg van het samenbrengen van de principes van de kwantummechanica met die van de speciale relativiteitstheorie is dat elk elementair deeltje gepaard gaat met het bestaan van een antideeltje. Een antideeltje heeft dezelfde massa en spin als het deeltje, maar is in de andere eigenschappen precies tegengesteld. Bijvoorbeeld: het antideeltje van het elektron is het positron dat exact dezelfde massa heeft als het elektron, maar terwijl de lading van het elektron -1 is, is die van het positron +1. Als materie en antimaterie met elkaar in contact komen, heffen ze elkaar op (E=mc2 aan het werk!). Als we even om ons heen kijken, zien we dat ons universum opgebouwd is uit materie en niet uit antimaterie. Dit valt enkel te verklaren indien bij de oerknal iets meer materie dan antimaterie gecreëerd werd (kwantitatief: kort na de oerknal moesten er voor elk miljard antideeltjes een miljard + 1 deeltjes zijn). De wetten van de natuur moeten dus iets anders zijn voor materie dan voor antimaterie. Deze asymmetrie is inderdaad aanwezig in het SM, maar is ruim onvoldoende om de dominante aanwezigheid van materie over antimaterie in ons universum te verklaren. Dat is dus nog een aanwijzing dat het SM onvolledig is.

Eén van de markantste open vragen is wat “donkere materie” is. Om dit beter te begrijpen moeten we even terug naar het verleden. In het begin van de 19de eeuw waren de natuur- en sterrenkunde in crisis. Precisiewaarnemingen van de banen van de toen bekende planeten, de Aarde, Mercurius, Venus, Mars, Jupiter, Saturnus en Uranus, gecombineerd met de hoge vlucht in de ontwikkeling van nieuwe berekeningstechnieken, lieten wetenschappers toe om de voorspellingen van de wetten van Kepler en Newton in detail te testen. Deze bleken effectief een uitstekende beschrijving te geven van de dans van de planeten omheen de zon, behalve dan voor Mercurius en Uranus, waar er kleine discrepanties tussen de waarnemingen en de theoretische voorspellingen waren. De Franse wetenschapper Le Verrier nam aan dat deze afwijkingen te wijten waren aan “donkere materie”, nog niet ontdekte planeten waarvan het zwaartekrachtveld de banen van Uranus en Mercurius beïnvloedt. Hij concentreerde zich eerst op Uranus en postuleerde het bestaan van een verder van de zon verwijderde planeet, Neptunus, waarvan hij de baan kon berekenen. In september 1846 ontdekte men de planeet bijna exact op de plaats die Le Verrier voorspeld had. Gesterkt door dit succes postuleerde Le Verrier een planeet tussen Mercurius en de zon, die hij Vulcanus noemde en die de anomalie in de baan van Mercurius zou verklaren. Vulcanus werd echter nooit gevonden en een oplossing voor het Mercuriusprobleem moest tot 1915 wachten. Toen publiceerde Einstein zijn algemene relativiteitstheorie, die voor ons planetair systeem minieme correcties op de resultaten van Kepler en Newton introduceert. Eenmaal de relativistische correctie voor de baan van Mercurius in rekening gebracht werd, klopte alles perfect.

Vandaag leven we in een zeer analoge situatie. Indien we met Kepler en Newton (of met Einsteins algemene relativiteitstheorie) de beweging van sterren in een melkwegstelsel of de beweging van melkwegstelsels in clusters proberen te beschrijven, vinden we zeer grote discrepanties met de waarnemingen. Het wordt weinig waarschijnlijk geacht dat we deze problemen zullen kunnen oplossen door de wetten van de zwaartekracht te wijzigen (à la Mercurius). Blijft dus “donkere materie” (à la Uranus) als mogelijke oplossing. Om vele redenen denken we dat deze donkere materie uit nog niet ontdekte elementaire deeltjes bestaat. Deze deeltjes zouden bijzonder zwak met gewone materie interageren, maar hun zwaartekracht zou wel degelijk de beweging van sterren en melkwegstelsels in belangrijke mate beïnvloeden. Zowat 85% van alle materie in ons universum zou dan donkere materie moeten zijn! Geen enkel deeltje in het SM kan de rol van donkere materie opnemen en bijgevolg is dit een duidelijke aanwijzing dat het SM onvolledig is. Het theoretisch ontrafelen van de natuur van donkere materie en de experimentele speurtocht ernaar, via waarnemingen van kosmische straling, in deeltjesversnellers enzovoort is één van de majeure onderzoeksthema’s in de hedendaagse natuurkunde.

De ontwikkeling van een kwantummechanisch consistente theorie voor de zwaartekracht is absoluut noodzakelijk om de aard van de oerknal en de fysica van zwarte gaten te begrijpen

Dit laatste probleem brengt ons natuurlijk direct naar de olifant in de kamer: de zwaartekracht valt buiten het SM. Zwaartekracht wordt apart door Einsteins algemene relativiteitstheorie beschreven. Dit is een klassieke theorie. De ontwikkeling van een kwantummechanisch consistente theorie voor de zwaartekracht is absoluut noodzakelijk om zowel de aard van de oerknal als de fysica van zwarte gaten te begrijpen, maar dit programma is ondanks immense inspanningen nog lang niet gerealiseerd.

Wat heeft dit nu met elementairedeeltjesfysica te maken? Het allergrootste (kosmologie) en het allerkleinste (het Standaardmodel) gaan hand in hand. De grote structuren die we nu waarnemen in onze kosmos werden reeds “gezaaid” bij het prille begin van ons universum, toen ons heelal nog heel klein was en bijgevolg gestuurd werd door de wetten van het allerkleinste. Onze natuur is als het ware een ouroboros, een slang die in haar eigen staart bijt: het allergrootste en het allerkleinste komen samen. Dit begrijpen kan niet zonder het SM uit te breiden met de zwaartekracht.

Ik kan mijn verhaal dus als volgt besluiten. Het Standaardmodel van de Elementairedeeltjesfysica is zonder twijfel één van de grootste verwezenlijkingen in de natuurkunde. Het beschrijft de natuur op afstanden van 10-15 m tot 10-19 m met een adembenemende precisie en het sluit haast naadloos aan bij de fysica van het allergrootste. Maar tegelijkertijd laat het SM nog talrijke boeiende en fundamentele vragen onbeantwoord.

De voorbije jaren is duidelijk geworden dat deze vragen pas succesvol aangepakt kunnen worden als we tot een synergie tussen diverse natuurkundige subdisciplines komen. Grote telescopen, zowel op aarde als in de ruimte, die onze kosmos over het hele elektromagnetische spectrum observeren, reusachtige interferometers die naar ons universum kijken via zwaartekrachtgolven, gigantische deeltjesversnellers die de allerkleinste lengteschalen exploreren en kosmischestralendetectoren zullen in de toekomst hand in hand samenwerken en ons een uniek inzicht geven in de kosmos. Dit zal ons belangrijke nieuwe kennis opleveren om de hierboven geschetste problemen aan te pakken.

Deze multidisciplinaire aanpak van de hoge-energiefysica is een radicale maar onvermijdelijke verandering in werkwijze die een belangrijke stap voorwaarts zal vormen in ons begrip van zowel het allerkleinste als het allergrootste. Een nieuwe deeltjesversneller is noodzakelijk een onderdeel van deze onderneming. De ogenschijnlijk hoge kost van grootschalige wetenschap wordt redelijk indien men in rekening brengt dat dit avontuur door tientallen landen gedragen wordt en de afschrijvingstermijn vele decennia bedraagt.

De hoge-energiefysica is dus zeker nog niet afgewerkt. Integendeel, het beste moet ongetwijfeld nog komen!

Alexander Sevrin is hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Vrije Universiteit Brussel, departement Fysica. Zijn onderzoek richt zich onder meer op het ontstaan van het heelal, de snaartheorie, zwarte gaten en alles wat met kwantumfysica te maken heeft.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen