Deeltjesfysici ontdekten met de Large Hadron Collider iets totaal onverwachts. Bij botsingen van protonen bleken bepaalde deeltjes die ontstaan uit de botsing exact dezelfde richting op te vliegen. Frank Wilczek denkt dat het proton daarmee een nog onbekende structuur herbergt.
In de zomer van 2010 stelden CERN-natuurkundigen vast dat enkele deeltjes in de gemiddeld 110 deeltjes die vrijkomen als twee protonen met grof geweld tegen elkaar worden gebeukt, hun banen synchroniseren zoals een vlucht vogels. Dit was een zo bizar verschijnsel dat de waarnemers eerst hun ogen niet konden geloven en keer op keer waarnemingen overdeden, stelt Guido Tonelli, een van de onderzoekers.
Frank Wilczek, die het gedrag van gluons verklaarde en daarmee de Nobelprijs natuurkunde won, denkt daarom dat de experimenten van het LHC een nog onbekende, diepe structuur van protonen blootleggen. Het is ook mogelijk dat de deeltjes op nog onbekende wijze met elkaar reageren. Bij deze hogere energieën kan namelijk een kijkje worden genomen bij een scherpere ruimte-en tijd resolutie dan ooit tevoren, stelt Wilczek. Hij denkt dat de gluons in het proton met elkaar verstrengeld zijn en die verstrengeling bij interactie overdragen aan andere deeltjes. De merkwaardige correlatrie zou hierdoor verklaard kunnen worden, denkt hij.
Hoe hoger de energie, hoe scherper de correlatie zichtbaar wordt. Daarom ontging dit effect eerdere experimenten.
Wat de oorzaak ook is, één ding is duidelijk. Zelfs in een massaal voorkomend deeltje als het proton (ongeveer driekwart van alle materie in het heelal is waterstof-1, bestaande uit een proton en een elektron), waarvan wetenschappers dachten dat ze het goed begrepen, blijken zich nog verrassend veel onbekende en merkwaardige fenomenen schuil te houden. Ons begrip van de realiteit is groot, maar herbergt nog veel donkere plekken. De natuurkunde is nog verre van voltooid. Kortom: wetenschap is nog steeds erg spannend.
Kernfysici dachten dat ze het allemaal zo goed begrepen. In een proton zitten drie harde pitten, quarks, die elkaar door het uitwisselen van gluonen bij elkaar houden. Hun gedrag wordt beschreven door de kwantumchromodynamica. De rest door de kwantumelektrodynamica. Maar helaas voor hen, er lijkt iets helemaal mis te zijn met die theorie…
Kwantumchromodynamica, de zwakke broeder van de Grote Drie
Er zijn drie grote theorieën die ten grondslag liggen van de hele natuurkunde: de algemene relativiteitstheorie van Einstein en een aantal kwantumtheorieën: kwantumelektrodynamica (QED), door Steven Weinberg en Abdus Salaam samengevoegd met de kwantumtheorie van de zwakke kernkracht tot één elektrozwakke kwantumtheorie en de QCD, kwantumchromodynamica die de sterke kernkracht beschrijft.
Zelfs een eenvoudig deeltje als een proton brengt natuurkundigen tot totale wanhoop.
Die laatste twee theorieën samen heten wel het Standaardmodel, omdat ze samen alle bekende deeltjes beschrijven.
Juist met die laatste kernkracht, die de quarks, protonen en neutronen bij elkaar houdt, is iets stevig mis. Het blijkt namelijk uit experimenten met muonen – een soort zware elektronen – waarbij de aantrekkingskracht tussen muon en proton werd gemeten, dat een proton vier procent kleiner is dan verwacht. Deze uitkomst is onverwacht. Kwantumelektrodynamica is namelijk extreem nauwkeurig: tot op dertien decimalen. Er is in tachtig jaar nog geen enkele experimentele uitkomst geweest die in strijd is met QED of de algemene relativiteitstheorie. Bij kwantumchromodynamica ligt dat anders. De massa’s van quarks zijn bijvoorbeeld veel onnauwkeuriger bekend. Het vereist hels ingewikkelde berekeningen en monsterlijk grote computers om de ingewikkelde interacties tussen de quarks in een enkel minuscuul proton te beschrijven, een deeltje honderdduizend maal kleiner dan een atoom (en zelfs dan is de uitkomst nog maar een benadering).
Opmerkelijk genoeg bleek een zeer nauwkeurige nameting van de protonradius, door ze met elektronen te beschieten en door de energieniveaus van waterstof te meten (waterstof bestaat uit een proton en een elektron) weer exact de ‘oude’ waarde op te leveren.
Geknoei?
Van alle verzonnen verklaringen blijkt er eigenlijk maar één de afwijkingen exact te verklaren. QED moet aangepast worden. Om precies te zijn: de Diracvergelijking die het gedrag van elektronen verklaart. Volgens de bedenkers zijn er hyperfijne interacties (tot zesdemacht interacties of perturbaties, o.m. spininteracties) die bij muonen optreden, die beschreven worden door de Pure Bound Field theorie (PBFT). Veel natuurkundigen vinden dit heiligschennis, ook omdat de Diracvergelijking zo extreem nauwkeurig is voor alle andere gevallen en wiskundig ook erg elegant. Felle protesten tegen het omvormen van deze vergelijking tot een monsterlijk gedrocht zijn dan ook niet van de lucht.
Moeter Natuur moet antwoord geven
Nu de theoretici elkaar in de haren zitten is er eigenlijk maar één oplossing: een experiment. Dit staat nu ook op de rol. Natuurkundigen Pohl en Indelicato, verklaard tegenstanders van het mishandelen van de Diracvergelijking, willen nu de metingen herhalen met deuterium waaromheen een muon cirkelt. De atoomkern van deuterium, zware waterstof, bevat niet alleen een proton maar ook een neutron. Ze hopen hiermee een nauwkeuriger beeld te krijgen van wat er precies op protonniveau plaatsvindt.
Kortom: berichten over het overlijden van de experimentele natuurkunde en een komende zogeheten Theorie van Alles, zoals Hawking en snaartheoretici denken, zijn uiterst voorbarig. Science fiction schrijvers kunnen voorlopig nog ongestoord blijven fantaseren…
Van de miljarden botsingen in de Large Hadron Collider, de enorme versnellingsring van het CERN op de grens van Frankrijk en Zwitserland waarmee protonen tegen elkaar worden gebeukt, worden er maar enkelen geanalyseerd. De rest wordt gezien als niet-interessant of “vervuild” omdat er onregelmatigheden in voorkomen. Dat is niet zo slim, stelt een groep onderzoekers. Deze onregelmatigheden zouden wel eens een goudmijn aan experimentele gegevens voor afwijkende natuurkundige theorieën kunnen opleveren.
Theoriegeladenheid van de waarneming
Wellicht herinnert u de stelling nog van een college wetenschapsfilosofie. Waarneming is theoriegeladen. Stel, je ziet een groot plantaardig ding ergens staan.
Eend of konijn? Het hangt er vanaf wat voor theorie je over dit plaatje in je hoofd hebt.
Een stedeling zal zeggen: een boom. Een plattelandsbewoner met meer natuurkennis zal hetzelfde groeisel aanduiden als een esdoorn. Een boomkweker kan misschien zelfs de cultivar herkennen. Een kind ziet een spannend ding om in te klauteren. Een ambtenaar ziet een stuk natuurwaarde (of, vaker, een lastig obstakel voor het nieuwe winkelcentrum dat voor de realisatie van de vierde doelstelling van het vijfjarenplan absoluut noodzakelijk is).
Alle zien ze hetzelfde object, maar door hun verschillende kennis en wereldbeeld interpreteren ze deze anders. Kortom: je kennis en de ideeën waarin je gelooft bepaalt heel sterk wat je ziet. Voor wetenschappers geldt dit nog sterker omdat ze met vaak zeer ingewikkelde wetenschappelijk instrumenten werken. Achter die instrumenten zit vaak een ingewikkelde theorie. Alles wat buiten deze theorieën valt, is in principe niet met het instrument waar te nemen of wordt gezien als een meetfout. Bij de natuurkundeopleiding leer je om al te afwijkende meetpunten weg te gooien. In landbouw- of biologisch onderzoek is dit een wetenschappelijke doodzonde als je daar geen heel goede reden voor hebt (bijvoorbeeld omdat je constateert dat een konijn de maïszaailingen in plot C3 heeft opgegeten), want daarmee verpest je de statistische eigenschappen van de proef.
Monomanie op de LHC?
De Large Hadron Collider is één van de duurste wetenschappelijke instrumenten ooit gebouwd. Onderzoekstijd op de LHC is schaars. Op dit moment wordt het meeste onderzoek gedaan om slechts één vraag te beantwoorden: bestaat het Higgsdeeltje? Het Higgsdeeltje is een door het Standaardmodel (het natuurkundige model dat het gedrag van alle tot nu toe ontdekte deeltjes geheel verklaart) verondersteld deeltje dat moet verklaren waarom sommige elementaire deeltjes zoals quarks en elektronen massa hebben. De LHC doet niets anders dan miljarden malen achter elkaar protonen opzwepen tot iets minder dan de lichtsnelheid en vervolgens op elkaar laten beuken. De bedoeling is dat er in ieder geval in enkele van die botsingen Higgsdeeltjes aan te treffen. Andere vragen, afkomstig van minder populaire theorieën, blijven daarentegen onderbelicht. Logisch: er is maar een beperkte tijd beschikbaar om te meten en er komt werkelijk een onvoorstelbare hoeveelheid data uit de LHC: per jaar vijftienduizend harde schijven. Alle botsingen waar niet precies iets uitkomt wat lijkt op een Higgsdeeltje, wordt weggegooid. Mogelijk zitten hier uiterst interessante dingen tussen.
Anomale botsingspaden
Deeltjesfysici Patrick Meade, Michele Papucci en Tomer Volansky vinden dat laatste niet erg slim. Ze stellen nu voor om ook te letten op andere “anomale botsingspaden”: gedrag van deeltjes die zich zeer afwijkend gedragen.
In een bellenkamer laten geladen deeltjes een spoor na van bellen. Zo werd het positron ontdekt.
In tegenstelling tot de extreem nauwkeurige kwantumelektrodynamica, de theorie die elektromagnetisme op kwantumschaal beschrijft (dertien decimalen precies; de nauwkeurigste theorie ooit) is kwantumchromodynamica niet erg. Op zich is dat ook logisch: kerndeeltjes, vooral quarks: de bestanddelen van protonen en neutronen, zijn veel lastiger te meten dan de veel handelbaarder elektronen. Tot overmaat van ramp reageren gluonen, de deeltjes waarmee quarks op elkaar reageren, ook nog met elkaar, wat betekent dat zelfs het gedrag van een enkel proton of neutron al een wiskundige nachtmerrie wordt. Laat staan een complete atoomkern van, zeg, goud of uranium. Het betekent echter ook dat QCD wel eens niet kan kloppen en er zich allerlei nog onbekende deeltjes met afwijkend gedrag schuilhouden in de zee van gevormde deeltjes.
Op deeltjessafari
Afwijkend gedrag van deeltjes die in alternatieve theorieën voorkomen kan onder andere bestaan uit kinks: sporen die plotseling van richting lijken te veranderen zonder een tweede knooppunt, sporen die uit het niets lijken op te duiken, afwijkende relaties tussen energie en afstand, afwijkingen in timing, ‘normale’ sporen die minder hits (‘bubbels’) dan normaal opleveren, afwijkende krommingen en sporen die oplossen in het niets. Opmerkelijk genoeg stellen de drie dit soort verschijnselen al waar te hebben genomen in diverse botsingsproeven.
Het drietal stelt als echte experimenteel natuurkundigen voor om gewoon op deeltjessafari te gaan, afwijkende verschijnselen er uit te pikken en ons domweg te laten verrassen door wat Moeder Natuur ons voorschotelt. Gezien de niet bijster indrukwekkende resultaten van veertig jaar snaartheorie, klinkt dat als een zeer aantrekkelijk voorstel. We weten niet alles. Dat maakt wetenschap nou juist zo leuk.
De spanning loopt op bij de LHC-onderzoekers in Genève. Geen wonder. Uit drieduizend miljard botsingsproeven, gedaan in de compact muon solenoid-detector, zijn ondertussen een dertiental afwijkende botsingen gezeefd. De resultaten zijn het makkelijkst te verklaren door aan te nemen dat de lichtste van de hypothetische sparticles, voorspeld door de supersymmetrie theorie, echt bestaat.
Supersymmetrie
Op dit moment zijn er twee grote natuurkundige theorieën. Einsteins algemene relativiteitstheorie die de zwaartekracht beschrijft en het standaardmodel, dat bestaat uit de drie kwantumveldtheorieën die de overige drie krachten: de elektromagnetische kracht (QED), de zwakke kracht en de sterke kracht(QCD) beschrijven.
Eén van de dertien raadselachtige botsingen.
Alle pogingen om algemene relativiteit te verzoenen met het standaardmodel hebben gefaald. Wel is de speciale relativiteitstheorie naadloos in de kwantumelektrodynamica verwerkt.
Volgens de supersymmetrie theorie (SUSY) kent ieder deeltje uit het Standaardmodel een superpartner: zo heet een superelektron een selectron, een superquark een squark enzovoort.
Superdeeltjes, sparticles, verschillen van normale deeltjes omdat hun spin, ‘draairichting’, een half afwijkt van die van normale deeltjes. Het gevolg: bosonen veranderen in fermionen en andersom. Je krijgt dan heel vreemde materie: lichtdeeltjes (fotino’s) die elkaar afstoten en superneutronen die door elkaar heen kunnen vliegen. Super-atomen en super-levensvormen zien er (als ze al bestaan) heel anders uit dan die van ons. En kunnen dwars door ons heen vliegen zonder dat we het merken.
Deze superpartners hebben voor kosmologen de prettige eigenschap dat ze alleen maar door de zwaartekracht waar te nemen zijn, een ideale kandidaat voor de mysterieuze donkere materie dus zonder dat ze hun toevlucht hoeven te zoeken tot alternatieve zwaartekrachtstheorieën als MOND. Om het prille geluk helemaal compleet te maken: het lichtste sparticle is ook stabiel.
In de Large Hadron Collider worden protonen, waterstofkernen, met extreem hoge energie met elkaar in botsing gebracht. De filosofie achter de proeven is dat in een klein deel van de gevallen de botsingsenergie zal worden gebruikt om nog onbekende deeltjes te produceren.
Een deeltje dat op bijna geen enkele wijze reageert met ‘normale’ materie is behalve door de zwaartekrachtswerking, maar op één effectieve manier waar te nemen: door het plotseling verdwijnen van energie en moment (beweging maal massa), op het moment dat het gevormd wordt. Op deze manier is het neutrino ook ontdekt.
Dit is precies wat er in de dertien botsingen gebeurd is. Er is precies zoveel energie en moment verdwenen als volgens de supersymmetrietheorie wordt voorspeld.
Dertien is niet erg veel en om een statistisch significant meetresultaat te bereiken moeten de botsingsproeven nog even doorgaan. Dat dit een veelbelovende eerste ontwikkeling is op weg naar een nieuwe natuurkunde, staat echter buiten kijf.
