"Een andere vraag is, of een quark een punt is'

Hoe dicht kunnen we bij de Big Bang komen? Nobelprijswinnaar Leon Lederman over de noodzaak van de Supergeleidende Superbotser en de toekomst van de elementaire-deeltjesfysica.

Hij ziet er op zijn minst tien jaar jonger uit dan hij is. Maar Leon Max Lederman is toch al echt zeventig, en al weer ruim drie jaar weg bij Fermilab, het deeltjesversnellercentrum bij Chicago waarvan hij tien jaar lang directeur was. Toch is hij nog steeds, al is het niet meer full-time, actief werkzaam als onderzoeker. Op het moment is hij betrokken bij een experiment dat licht moet werpen op de eigenschappen van de schoonheids-quark. Daarnaast is hij een onvermoeibaar pleitbezorger voor de deeltjesversneller van de volgende generatie, de Superconducting Super Collider (SSC), waarvan hij een van de geestelijke vaders is.

De SSC moet de krachtigste "microscop' ter wereld worden. Door makkelijk te maken deeltjes met een enorme energie op elkaar te laten botsen, hopen de natuurkundigen heel zeldzame deeltjes te creëren die alleen maar "natuurlijk' voorkwamen toen het universum nog heel jong en heel heet was. Hoe hoger de botsingsenergie, hoe verder men zo kan terugkijken in de tijd en hoe meer men leert over de vroegste geschiedenis van het universum. De microscoop is dus tevens een soort tijdmachine.

Een van de deeltjes waarvan men hoopt dat hij door de SSC zal worden ontdekt is het Higgs-boson, waarvan het bestaan wordt voorspeld door de huidige theorie van de elementaire deeltjes, het zogeheten standaardmodel. Het Higgs-deeltje (of liever gezegd de Higgs-deeltjes, want er kunnen er meerdere zijn) is de drager van een vermeend Higgs-veld, dat andere deeltjes hun massa geeft. Is er geen Higgs-deeltje en geen Higgs-veld, dan raakt het standaardmodel bij hogere energieën in de problemen. Wordt het wel gevonden, dan is het standaardmodel gered.

Lederman ontving in 1988, samen met collega-fysici Mel Schwartz en Jack Steinberger, de Nobelprijs natuurkunde voor hun gezamenlijke ontdekking, begin jaren zestig, van het muon-neutrino. Deze ontdekking, in het legendarische "Brookhaven experiment', betekende een belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de elementaire-deeltjesfysica. Het was de eerste duidelijke aanwijzing voor de hypothese dat elementaire deeltjes uiteenvallen in verschillende families, en gaf daarmee indirect de aanzet tot het huidige standaardmodel.

Het Brookhaven experiment staat kleurrijk beschreven in Ledermans zojuist verschenen boek The God particle, geschreven samen met de journalist Dick Teresi. Het trio Lederman, Schwartz en Steinberger stond, zo schrijft Lederman, vanwege hun "zachtaardige en vriendelijke optreden' destijds bekend onder de bijnaam "Murder, Incorporated'. Maar tijdens een een wetenschappelijk congres in Boston meegetroond naar een rustig hoekje is Lederman opgewekt en vriendelijk.

Lederman: ""The God particle schetst in grote lijnen de geschiedenis van het reductionisme, dat wil zeggen de 2500 jaar lange speurtocht van de mensheid naar de kleinste, fundamentele bouwstenen van de materie. Het boek voert langs alle sleutelfiguren die in ultieme deeltjes geloofden. Het beschrijft een lange weg die begint in het oude Griekenland en die uitmondt in Waxahachie in Texas, waar de Super Collider wordt gebouwd. Uiteraard besteed ik de meeste aandacht aan de huidige tijd, aan de moderne versnellers en detectoren. En natuurlijk aan de graal waarnaar we nu zoeken: het God particle uit de titel oftewel het Higgs-boson.

""Wat mijn boek anders maakt dan andere, is dat ik de ontwikkelingen beschrijf vanuit het gezichtspunt van een experimentalist, dat wil zeggen iemand die bereid is om zijn handen vuil te maken, als een electricien of een loodgieter. Dat is vrij ongewoon, want experimentele fysici komen maar zelden tot het schrijven van boeken. Ze hebben niet zulke eindeloze hoeveelheden vrije tijd als de theoretici!'

Uw boek laat zich lezen als een pleidooi voor de SSC. Heeft dat iets te maken met de nog steeds onzekere financiering?

""Ja, dat is iets waarover ik me zorgen maak. Maar als fysicus ben ik een onverbeterlijke optimist. Het fundamentele onderzoek in de Verenigde Staten, waarvan de SSC maar één onderdeel is, kost alles bij elkaar ongeveer 0,7 procent van het federale budget. Dat is op de keper beschouwd niet veel. Je kunt je met goed recht afvragen of het niet een veelvoud daarvan zou moeten zijn. De kostprijs van de SSC is hoog, maar als percentage van de overheidsuitgaven aan wetenschap nog steeds heel bescheiden.'

Dat is een mooie opinie, maar de politieke werkelijkheid is dat de middelen schaars zijn. En sommige andere fysici zijn bang dat het geld dat naar de SSC gaat, ten koste zal gaan van hun eigen, kleinschaliger onderzoek.

""In dat argument geloof ik niet. Het is niet zo dat als de SSC zou worden geschrapt, het geld ter beschikking zou komen van ander onderzoek. Het zou alleen maar verdwijnen in het financieringstekort! Men stelt het soms voor alsof we in de wetenschap met zijn allen prioriteiten moeten stellen, maar zo werkt het niet. Je kunt niet met een groepje wijze mannen gaan beslissen wat belangrijker is: elementaire-deeltjesfysica, astronomie, genoomonderzoek of wat dan ook. De praktijk is dat je op interessante onderzoeksvragen stuit en dat je de geldgevers en je collega's overtuigt van het belang om die op te lossen.

""Het betekent natuurlijk dat je keuzes maakt. Ook voor ons elementaire-deeltjesfysici gaat dat op. Als we in het verleden een grote nieuwe versneller wilden bouwen, waren we steeds bereid om daarvoor andere versnellers, waarmee nog steeds uitstekend onderzoek werd gedaan, te sluiten.'

De belangrijkste rechtvaardiging voor de bouw van de SSC is dat daarmee het voorspelde Higgs-boson kan worden gevonden. Wordt dat hele dure apparaat dus alleen maar gebouwd om één deeltje te ontdekken?

""O nee. De SSC stelt ons in staat om wat wij fysici noemen de hele 1 TeV- massaschaal te onderzoeken, een energiegebied tien keer zo hoog als wat we nu bereiken. Waarom maar 1 TeV, terwijl de protonen van de SSC tegen elkaar botsen met een energie van wel 40 TeV? Omdat we kijken naar wat er gebeurt op het niveau van de quarks waaruit de protonen zijn opgebouwd, en omdat elke quark in de botsing maar een fractie van de energie krijgt van het hele proton. Dus heb je 40 TeV nodig om te kijken naar de 1 TeV massaschaal.

""Wat valt er in dat nieuwe gebied te verwachten? In ieder geval nieuwe natuurkunde, zegt ons het standaardmodel. Het Higgs-deeltje is een aantrekkelijke kandidaat, maar er is meer. Bijvoorbeeld de voorspellingen van de supersymmetrie-theorie. Als het sypersymmetrie-model juist is, hoor je gekke deeltjes als wino's en squarks te vinden. Vinden we die niet, dan zullen de supersymmetrie-theoretici hun potloden doormidden moeten breken en van voren af aan moeten beginnen.

""Een andere belangwekkende vraag is of het waar is dat een quark een punt is, dat wil zeggen geen afmetingen heeft. De SSC is een vergrootglas, tien keer zo sterk als de vergrootglazen die we nu hebben. We zullen de quarks dus in elk geval met een tien keer zo hoge resolutie kunnen bekijken. Voor het elektron geldt hetzelfde. We zullen kortom meer leren over de structuur van elementaire deeltjes.

""Dat geldt ook voor de top-quark, de enige van de zes quarks die nog niet is ontdekt. Waarschijnlijk zal de top-quark binnenkort door Fermilab worden gevonden. Maar omdat hij erg zwaar is, zit hij aan de grens van wat je met de huidige energieën kunt halen. Met de SSC daarentegen zul je duizenden en nog eens duizenden top-quarks moeten kunnen vinden, waardoor je de eigenschappen veel beter kunt onderzoeken. Kortom, er is een heel spectrum van problemen waar we zeker zijn dat we iets nieuws zullen vinden.'

De SSC wordt, als hij er komt, grootschaliger dan ooit. Dat betekent nóg grotere onderzoeksgroepen, nóg meer namen boven artikelen. Is het voor jonge fysici nog wel aantrekkelijk om in zulke grote teams te werken? Verzuipen ze niet in de anonimiteit?

""Helemaal niet. Natuurlijk, de tijd is voorbij dat je als experimentele hoge-energiefysicus kunt zeggen: "Ik heb niet zo'n zin vandaag, ik zet de apparatuur af, draai het licht uit en ga naar huis.' Tegenwoordig werk je in groepen van 300 of 400 mensen. Maar dat betekent nog geen anonimiteit.

""Deeltjesversnellerslaboratoria zijn gelieerd aan vooraanstaande universiteiten. Als promovendi een praatje houden voor een groepsmeeting, dan zitten er onder hun gehoor misschien wel 15 hoogleraren. Tegen de tijd dat ze promoveren, genieten ze onder vakgenoten grotere bekendheid dan mensen uit kleine groepen, die misschien maar één artikel hebben geproduceerd waar hun naam bijstaat. De groepsdynamica bij een deeltjesversnellerslab is dus juist een gunstige factor. Aangenomen dat de groep goed wordt geleid, zijn de voorwaarden voor individuele ontplooiing en creativiteit uitstekend.'

Wat doen al die promovendi eigenlijk? Moeten zij opdraaien voor de ploegendiensten?

""Die ploegendiensten, dat valt in de praktijk erg mee. Als je op een willekeurig moment de controlekamer van de Tevatron van Fermilab binnenloopt, dan tref je daar gemiddeld maar een stuk of zeven mensen aan in ploegendienst. Meestal doet men maar drie of vier weken ploegendienst per jaar. De rest van het jaar is men bezig met allerlei andere dingen.

""Promovendi zijn in de eerste plaats continu bezig met het schrijven van software en met het ontwerpen van verbeteringen voor de apparatuur. En daarnaast met het analyseren van de resultaten. Je zou misschien verwachten dat er in een team van drie- of vierhonderd onderzoekers zou worden gevochten om de vraag wie de gegevens mag analyseren. Maar het is net andersom. Deeltjesversnellers genereren een ontzaglijke berg resultaten, en je krijgt eerder te maken met de vraag: "Kun je ons alsjeblieft komen helpen?''

De SSC zit aan de grens van de huidige technologie. Maar de energie van de SSC is nog maar een fractie van de energie, nodig om de zogeheten Grote Geünificeerde Theorieën te kunnen testen die de verbinding leggen tussen de elektrozwakke en de sterke krachten. Hoe moet het verder na de SSC?

""Ach, zoals ik al zei ben ik een optimist. Als je kijkt naar de geschiedenis van de deeltjesversnellers en je zet de logaritmen van hun energieën uit tegen de jaartallen waarop ze werden bereikt, dan zie je een keurige rechte lijn. Extrapoleer je die, dan zie je dat we tussen 2050 en 2100 energieën van 10¹² GeV zullen bereiken, energieën in het gebied van de Grote Geünificeerde Theorieën.'

Zo'n lijn doortrekken is natuurlijk leuk, maar is het wel reëel? Alleen al een factor tien omhoog valt al nauwelijks meer te betalen.

""Ach, tien keer de kosten van de SSC is niet onredelijk. Dan zullen we misschien 50 maal het energieniveau van de SSC halen, of duizend maal, wie weet. Misschien vinden we wel manieren om de versnelling goedkoper te maken. Het aantal mega-elektronvolts dat je per dollar kunt krijgen is in het verleden al orden van grootte naar beneden gegaan.'

Maar je zal toch onherroepelijk, en al heel snel, tegen fysische barrières aanlopen. Op een gegeven moment zijn niet meer de kosten beperkend, maar de geometrie.

""Ik weet het niet, misschien heeft u gelijk. De SSC is een cirkelvormige machine met een omtrek van 50 mijl. Als we het magnetisch veld een factor tien omhoog kunnen krikken en van 50 mijl overstappen op een omtrek van 500 mijl, zitten we alweer een factor honderd hoger. Dat is nog doenlijk, al is een vertienvoudiging van het magnetisch veld waarschijnlijk een groot probleem. Hoe je daarna verder moet, weet ik niet. Misschien zou je de ruimte inmoeten. Enrico Fermi suggereerde al in de jaren vijftig dat je een deeltjesversneller om de aarde zou kunnen laten cirkelen, haha!

""Maar ik ben met u eens dat er uiteindelijk een gigantische kloof overblijft waarvan het moeilijk voor te stellen dat we die kunnen overbruggen. De uiterste grens is de Big Bang zelf. Het universum was toen een gigantische versneller zonder budgetbeperkingen. Met onze huidige energieën zitten we daar nog vele ordes van grootte vandaan. Daar staat tegenover dat er op dit moment misschien iemand op de kleuterschool zit die straks met de resultaten van de SSC een briljant idee krijgt om de kloof te dichten. Alles is mogelijk. Misschien krijg je nog wel eens lineaire machines met enorme versnellingsgradiënten, wie weet.'

Als het zo zal gaan, zal u het niet meer meemaken. U staat nu een stapje verder verwijderd van de research.

""Ja. Ik doe nu teveel andere dingen. Ik ben dat gevoel kwijtgeraakt van direct bij onderzoek betrokken te zijn.'

Heeft dat te maken met de Nobelprijs?

""Nee hoor. Die prijs heeft niet veel verandering in mijn leven gebracht. Ik bezat al zestien medailles, dus een zeventiende erbij maakte niet zoveel uit.'

Leon Lederman en Dick Teresi. The God particle. If the universe is the answer, what is the question? Boston, Houghton Mifflin 1993. ISBN 0 395 55849 2.