Het raadsel van het ontstaan van massa

Waarom zijn sommige voorwerpen zwaarder dan andere? In de wereld van alledag is deze vraag gemakkelijk te beantwoorden: omdat het ene meer massa bevat dan het andere en dus sterker door de zwaartekracht wordt aangetrokken.

Maar wat bepaalt dan hun massa? Ook daarop is na enig nadenken wel een antwoord te gegeven. Massa wordt bepaald door de chemische samenstelling en de dichtheid van de materie: een kubieke meter ijzer heeft meer massa dan een kuub lucht en een kuub samengeperste lucht heeft meer massa dan een kuub bij één atmosfeer.

Nu hebben chemische samenstelling en dichtheid alles te maken met de aard en samenpakking van moleculen en atomen. Deze laatste zijn alle opgebouwd uit een kern van protonen en neutronen, waaromheen elektronen draaien. Bij deze deeltjes is de vraag wat hun massa bepaalt niet meer zo eenvoudig te beantwoorden. Waarom hebben protonen en neutronen een grote massa, maar de rond de kern draaiende elektronen een heel kleine? En hoe komt het dat fotonen, de "bouwstenen' van de straling die een atoom kan uitzenden, helemaal geen massa hebben?

Albert Einstein besefte in het begin van deze eeuw dat massa een vorm van energie is: de een kan in de ander overgaan. De massa van atoomkernen hangt dus niet alleen af van de stoffelijke massa van zijn bestanddelen, maar ook van de energie die deze bestanddelen bijeen houdt. Dit inzicht maakt het nu mogelijk om precies de hoeveelheid energie te bepalen die geproduceerd wordt tijdens bijvoorbeeld kernreacties, maar het maakt niet duidelijk wat massa nu precies is.

Voorrangsregels

Het "wezen' van massa is een van de grootste raadsels in de huidige deeltjesfysica. Maar er gloort enig licht aan de horizon. Recent theoretisch onderzoek lijkt het antwoord een stukje dichterbij te kunnen brengen. Misschien ontlenen fundamentele deeltjes hun massa aan het feit dat ze elkaar, heel populair gezegd, "opeten'. Maar dat mag dan alleen volgens strikte voorrangsregels.

De huidige kennis van de structuur van de materie wordt samengevat in de theorie van het Standaardmodel. Dit gaat er van uit dat de ultieme bouwstenen van de materie bestaan uit een zestal quarks en een zestal leptonen. Van elke soort komen er slechts twee in de natuur voor: de overige zijn instabiel. Sommige ontstaan in de kosmische straling of tijdens botsingsexperimenten in deeltjesversnellers. Van de zes quarks moet er overigens één, het top-quark, nog worden waargenomen, maar volgens de laatste berichten zit men het aardig op de hielen.

De tweede belangrijke component van het Standaardmodel wordt gevormd door de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de vier krachten of wisselwerkingen in de natuur. Dat zijn de sterke wisselwerking (in atoomkernen), de zwakke wisselwerking (bij het proces van radioactief verval, de elektromagnetische wisselwerking (bij chemische reacties en straling) en de zwaartekracht. Deze krachten worden overgebracht door deeltjes die bosonen worden genoemd, maar die nog niet alle zijn waargenomen.

De zwakke wisselwerking blijkt nauw gerelateerd te zijn aan het elektromagnetisme (net zoals elektriciteit en magnetisme verwant zijn). Met deeltjesversnellers is aangetoond dat zij bij zeer hoge energieën samenvloeien in één elektrozwakke kracht. Die situatie bestond een fractie van een seconde na het ontstaan van het heelal. Men vermoedt dat bij nog hogere energieën een soortgelijke unificatie optreedt met de overige twee krachten, eerst met de sterke kracht en uiteindelijk met de zwaartekracht. Zo'n situatie heerste vermoedelijk nog korter na het ontstaan van het heelal.

Higgs-veld

Een belangrijke vraag in het standaardmodel is hoe het uiteenvallen van de elektrozwakke kracht (in het elektromagnetisme en de zwakke wisselwerking) in zijn werk is gegaan. Daartoe is een "mechanisme' voorgesteld dat genoemd is naar een van de fysici die het in het begin van de jaren zestig heeft ontwikkeld: Peter Higgs van de universiteit van Edinburgh. Met dit mechanisme, dat is gebaseerd op de werking van een Higgs-veld, kan het uiteenvallen van de elektrozwakke kracht langs wiskundige weg worden verklaard.

Dit mechanisme geeft echter tevens een antwoord op de vraag waarom de deeltjes die de zwakke wisselwerking overbrengen een massa hebben en die van het elektromagnetisme niet, terwijl ze toch beide uit dezelfde oerkracht zijn voortgekomen. Dat komt doordat eerstgenoemde in wisselwerking zijn getreden met het Higgs-veld en laatstgenoemde niet. Eerstgenoemde hebben als het ware "gegeten' van het Higgs-deeltje dat voor het veld verantwoordelijk is.

Nadat de twee deeltjes van de zwakke wisselwerking, W en Z geheten, in 1983 op het CERN daadwerkelijk waren ontdekt, en hun massa's overeen bleken te komen met wat men had voorspeld, werd het Higgs-mechanisme een belangrijk onderdeel van het Standaardmodel. Het was een van de weinige keren in de recente deeltjesfysica dat fysici hun abstracte wiskundige theorieën zo fraai door experimenten zagen bevestigd. Het Higgs-mechanisme geeft bovendien niet alleen massa aan de W- en Z-deeltjes, maar ook aan quarks en leptonen.

Er is echter één probleem: men heeft nog nooit een Higgs-boson waargenomen. Om te kunnen bewijzen dat het Higgs-mechanisme werkt en dat het deeltjes massa geeft, zal het boson eerst moeten worden gesignaleerd. Dit deeltje is daarom een soort Heilige Graal bij het huidige onderzoek in de deeltjesfysica. Helaas doet het Standaardmodel geen voorspellingen over de eigenschappen van het deeltje. Het zou om één enkel neutraal deeltje kunnen gaan, maar er zouden ook meerdere soorten kunnen zijn, neutraal zowel als geladen.

Het Higgs-boson ontdekken betekent het Higgs-boson maken, want in de vrije natuur komt het niet voor. Misschien lukt dit door W- of Z-deeltjes met hoge snelheden op elkaar te laten botsen. Er zouden dan energieën nodig zijn in de orde van 1000 GeV (gigaelektronvolt), maar die kan zelfs met de krachtige Large Elektron Positron-versneller (LEP) op het Europese laboratorium voor deeltjesfysica (CERN) in Genève niet worden bereikt. Momenteel worden daar experimenten uitgevoerd bij energieën die men geleidelijk kan opvoeren tot bijna 220 GeV.

Bij het ontwerp van LEP is echter al rekening gehouden met de mogelijkheid om in de tunnel nog een tweede versnellerring te plaatsen, waarin met behulp van krachtige supergeleidende magneten protonen worden versneld. Met deze Large Hadron Collider (LHC) zou een botsingsenergie van 16 TeV (tera = duizend miljard) bereikt kunnen worden. Men zou de situatie in het heelal kunnen nabootsen zoals die een miljoenste van een miljoenste seconde na de Oerknal bestond. Misschien zal het Higgs-boson dan gecreëerd kunnen worden.

Met de ontdekking van een Higgs-deeltje zou het bewijs worden geleverd dat het Higgs-mechanisme de natuur met massa begiftigt. Gewapend met die kennis zouden fysici dan het tweede deel van het massa-probleem kunnen proberen op te lossen: waarom hebben deeltjes nu juist die massa's die wij meten?

Tau-lepton

De massa van de bouwstenen van materie, quarks en leptonen, loopt sterk uiteen. De massa van de quarks loopt uiteen van een fractie van de massa van het proton tot wel honderd maal die van het proton. De elektrisch neutrale leptonen, de neutrino's, hebben waarschijnlijk geen of een heel geringe massa. Maar het zwaarste, geladen lepton, het tau-lepton, heeft een massa van 3600 maal die van het elektron.

Eenzelfde grote variatie ziet men bij de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de werking van de vier natuurkrachten, de bosonen. Het meest bekende boson, het foton (de overbrenger van licht en alle andere soorten straling), is massaloos. Maar de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de zwakke wisselwerking, de W- en Z- deeltjes, zijn bijna honderd maal zo zwaar als het proton.

De grootte van hun massa zal moeten samenhangen met de mate waarin die deeltjes in wisselwerking treden met het Higgs-veld. Maar waardoor wordt dat dan bepaald? Drie Amerikaanse fysici, Savos Dimopoulos, Lawrence Hall en Stuart Raby, hebben nu een theorie ontwikkeld die een eerste aanzet tot de opheldering van dit probleem kan geven. Hun theorie is gebaseerd op het feit dat zowel quarks als leptonen kunnen worden gegroepeerd in drie families van telkens twee deeltjes met (voor zover bekend) ruwweg vergelijkbare massa.

De onderzoekers hebben een schema ontwikkeld voor de relaties binnen en tussen die families. In dit schema kunnen deeltjes van de ene soort even de identiteit aannemen van die van een andere soort. Hierbij wordt een deel van de eigenschappen van die ander, waaronder zijn massa, "gestolen'. Men zou ook kunnen zeggen dat de deeltjes van elkaar "eten'. Maar dat kannibalisme is streng gereglementeerd. De deeltjes staan in een soort "pikorde', waarbij de leden van de eerste familie alleen kunnen eten van die van de tweede en de leden van de tweede familie alleen van die van de derde. Deze laatste eten dan rechtstreeks van het Higgs-deeltje (Science 259, p. 173).

Voedselketen

Nu zijn alléén de deeltjes van de eerste familie van quarks en leptonen in de huidige wereld aanwezig. Die van de andere families kunnen wel met behulp van versnellers worden gemaakt, maar waren alleen direct na het ontstaan van het heelal rijkelijk voorhanden. Doordat alle natuurkrachten toen één waren konden de deeltjes van de eerste familie gemakkelijk overgaan in die van de tweede en die van de tweede in die van de derde, iets wat nu nog zelden zou gebeuren.

Maar volgens de drie fysici zouden familie twee en drie nu toch nog een rol in bovengenoemde "voedselketen' kunnen spelen. De fysici voeren daartoe het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg ten tonele, het beginsel dat in de subatomaire wereld dingen mogelijk maakt die in de "gewone' wereld niet kunnen. Met behulp van dit beginsel zouden de nu niet meer bestaande deeltje als "virtuele' deeltjes constant in en uit onze wereld kunnen flitsen. Zo zouden ze toch nog een rol kunnen spelen in de "pikorde' die de deeltjes hun karakteristieke massa geeft.

Het werk van deze drie fysici heeft in het afgelopen jaar enige beroering veroorzaakt in de kleine, maar zeer strijdlustige wereld van de theoretische fysica. Want hoewel hun theorie niet de massa's van alle deeltjes kan voorspellen, kan hij wel bepaalde trends daarin aangeven. Bovendien kan de theorie worden getest. De onderzoekers voorspellen dat het top-quark, het enige materie-deeltje waarvan het bestaan nog niet is aangetoond, op grond van hun theorie een massa van ongeveer tweehonderd maal die van het proton zal hebben.

Helaas! Deze massa te groot om het deeltje te kunnen creëren met behulp van de bestaande versnellers. Ook voor deze bevestiging zal men dus moeten wachten op de komst van een volgende generatie versnellers: de Europese LHC in Genève en haar Amerikaanse tegenhanger, de SSC (de Superconducting Super Collider), in Texas.

De vier fundamentele natuurkrachten en hun mogelijke eenheid in het allereerste moment na het ontstaan van het heelal. Alleen het samenvloeien van het elektromagnetisme en de zwakke wisselwerking heeft men in hoge-energielaboratoria kunnen nabootsen. Men verwacht dat bij nog veel hogere energieën een vergelijkbare vereniging plaatsvindt met de sterke wisselwerking en uiteindelijk ook met de zwaartekracht.

Volgens het Standaardmodel zijn de kleinste bouwstenen van de materie zes quarks en zes leptonen. Deze kunnen op grond van hun (vermoedelijke) massa's (hier uitgedrukt in GeV, giga-elektronvolt) worden onderverdeeld die drie families. Alleen de vier deeltjes van de eerste (bovenste) familie komen in de natuur voor. De andere deeltjes zijn, op de top-quark na, gecreëerd tijdens experimenten bij hoge energie in deeltjesversnellers. Volgens een recente theorie zouden de deeltjes hun kenmerkende massa verkrijgen door deeltjes van een lagere familie "op te eten'.