'De natuur heeft smaak'; DEELTJESFYSICUS FRANK WILCZEK ZIET VOORBIJ HET STANDAARDMODEL

De recente ontdekking in Japan van het 'zware' neutrino staat op gespannen voet met het huidige Standaardmodel van de elementaire deeltjes. Niettemin beschouwt deeltjesfysicus Frank Wilczek het als een geschenk uit de hemel.

'DE MASSA VAN het neutrino komt als geroepen', zegt prof.dr. Frank Wilczek in de common room van het Lorentz Center. De theoretisch fysicus van het Institute for Advanced Study in Princeton, het instituut waar Albert Einstein in 1933 neerstreek, is dit semester in Leiden Lorentz-hoogleraar, wat inhoudt dat hij op dit moment aan het bureau van zijn illustere Nederlandse voorganger mag nadenken hoe het met de fysica van de elementaire deeltjes na Superkamiokande verder moet.

Begin deze maand was Wilczek er in Takayama bij toen prof.dr. Kajita op de Neutrino '98-conferentie namens het Superkamiokande-team de massa van het neutrino wereldkundig maakte. “Dat was groot nieuws”, zegt Wilczek, die op de conferentie, niet ver van de Japanse ondergrondse neutrinodetector, het samenvattende slotpraatje verzorgde. “Voor het eerst hebben we een stevig effect waar het Standaardmodel geen raad mee weet. Dat model is sinds de jaren zeventig volwassen en biedt een dwingende, nauwgezette beschrijving van de eigenschappen en het gedrag van de elementaire deeltjes. Het Standaardmodel is uitentreuren getest, zowel in deeltjesversnellers als in reuzendetectors, en altijd was de overeenstemming tussen theorie en experiment verbluffend. Bij Superkamiokande dus niet, en het aardige is dat de gemeten neutrinomassa ons uitstekend bevalt.”

Waarom?

“Het Standaardmodel is lang niet perfect. Zijn beschrijvingen van de sterke, elektromagnetische en zwakke wisselwerking staan tamelijk los van elkaar, parameters als massa en lading moeten er van buitenaf worden ingestopt en op een aantal plaatsen oogt de theorie ronduit lelijk. Theoretici zijn al jaren op zoek naar een diepere structuur. Om de tekortkomingen te overwinnen proberen we de theorie meer symmetrie te geven. Een goede kandidaat voor zo'n wiskunde-operatie is de zogeheten SO(10)-groep. Die bewerkstelligt een hoger niveau van unificatie in het model, waarbij alle elementaire deeltjes in één samenhangend schema zijn ondergebracht.

“Dat is mooi, maar het zoeken was naar experimentele ondersteuning van het nieuwe model. De effecten op neutrino's van SO(10) zijn daarvoor een prima kandidaat. Omdat neutrino's ongevoelig zijn voor sterke en elektromagnetische wisselwerking, komen de subtiele effecten van de zwakke wisselwerking bij dit type deeltje wèl tot hun recht: neutrino's zijn een venster op een nieuw stuk fysica. Op dit moment hebben we één getal, het gemeten massaverschil tussen de soorten neutrino's. Dat is als het ware de punt waar een complete omgekeerde piramide aan theorie op rust. Dat lijkt wankel, maar is beter dan een piramide die zweeft. Voor het eerst kan de werkelijkheid zich vinden in een verbetering van het Standaardmodel. Juist omdat het 'zware' neutrino de theorie naar een hoger plan tilt, in plaats van er een gedrocht van te maken, is het bijzonder welkom.”

Van jongs af aan is Frank Wilczek (47) gegrepen door de natuurwetenschap. Als kind spaarde hij voor een telescoop om de hemel te bespieden. Toen hij begin jaren zeventig op de Universiteit van Chicago begon, koos hij neurowetenschap - uit fascinatie voor de werking van het bewustzijn. Wilczek: “Jammer genoeg was dat vak onvolwassen. Experimenteel neurobiologisch onderzoek viel er genoeg te doen, maar wiskundige analyse was bij zo weinig harde gegevens niet aan de orde. Een theoreticus als ik had bij neurowetenschap weinig te zoeken. Nu staat de theorie tenminste in de kinderschoenen - misschien iets voor mijn dochter.”

Theoretische natuurkunde beviel beter?

“Zeker. Mijn hoogleraar in Chicago was zeer inspirerend, dat helpt. In die tijd kampte de fysica van de elementaire deeltjes met een grote rijkdom aan verschijnselen die door losse brokken theorie en ad hoc-regels werden beschreven. Het waren de begindagen van het Standaardmodel, er lagen harde gegevens, de tijd was rijp. Ik kwam precies op het juiste moment, een paar jaar later zou ik veel hebben gemist. Symmetrie vond ik intellectueel zeer uitdagend.

“In Princeton werkte ik als graduate student met grootheden als David Gross. Opwindende tijden, opwindende mensen. Tijdens mijn promotie-onderzoek ontdekte ik de 'asymptotische vrijheid' van het quark. Die zegt dat ongebonden quarks niet kunnen, een enorme doorbraak. In de quantumchromodynamica of QCD, de theorie van de sterke wisselwerking, is het een sleutelbegrip: asymptotische vrijheid maakt QCD bruikbaar. Net als een elektron heeft een quark lading, maar dan in drie 'kleuren'. Niet dat quarklading werkelijk iets met kleur te maken heeft, maar je moet de zaken nu eenmaal benoemen. Ik ontdekte dat de sterkte van die kleurlading afhangt van de positie van waaruit je kijkt. Hoe dichter je het quark nadert, hoe minder groot de lading.

“De verklaring hiervoor is dat de lege ruimte bij nader inzien bruist van de activiteit. Het is een materieel medium dat fluctueert en waarin voor korte tijd deeltjes en anti-deeltjes opduiken - in overeenstemming met de onzekerheidrelaties van Heisenberg. In hun dynamische effecten zorgen die deeltjes voor anti-afscherming van de kleurlading. Precies om die reden is een proton - drie quarks op een kluitje - mogelijk, en zul je in de natuur geen vrije quarks aantreffen. In de praktijk bleek die asymptotische vrijheid zeer lastig in de bestaande quantumveldentheorie in te passen, welgeteld één type symmetriegroep voldeed.”

Er is een apocrief verhaal waarin Einstein, in 1919 op de hoogte gesteld van het nieuws van de buiging van sterlicht, opmerkt dat Eddinstons befaamde zonsverduisteringsexpeditie geen andere keus had dan zijn Algemene Relativiteitstheorie te bevestigen. Zag u experimentele tests van QCD met vergelijkbaar vertrouwen tegemoet?

“Absoluut niet, het was nagelbijten. Het grote verschil met de Algemene Relativiteitstheorie is dat die, nog afgezien van zijn schoonheid, direct stevig in de realiteit verankerd was. Zo sloot hij in de limietgevallen aan bij de mechanica van Newton en bij de Speciale Relativiteitstheorie, en een afwijking in de omloopsbaan van Mercurius was er afdoende door verklaard. Dat gaf vertrouwen. Toen wij QCD opstelden, was er veel speculatie in het spel. Sinds de theorie in talloze experimenten is geverifieerd en bevestigd, geloof ik het wel. Als zich nu iemand meldt met een effect waar QCD geen raad mee weet, zijn er wat mij betreft twee mogelijkheden: òf QCD behoeft aanvulling, òf het experiment deugt niet. De juistheid van QCD is ononderhandelbaar.”

In de snaartheorie, die tien dimensies nodig heeft, duiken ideeën op die met de huidige apparatuur in de verste verte niet te testen zijn. Is dat erg?

“Niet als je er plezier in hebt met wiskunde te spelen, of van literatuur houdt. Maar in de natuurwetenschap is theorie toch opwindender, interessanter, uitdagender en waardevoller als het iets beschrijft waar je je vinger op kunt leggen.”

Eugène Wigner verbaasde zich over het 'onredelijke succes' van de wiskunde. Is die verbazing terecht?

“Zeker, de werkelijkheid zou heel anders in elkaar kunnen steken. Neem Super Mario World. In dat computerspel kunnen de mensen in de lucht hangen en de gekste sprongen maken, niettemin is die wereld intern consistent. Maar wil je Super Mario beschrijven, dan kom je niet uit op een elegante onderliggende wiskundige structuur, maar op een complex computerprogramma vol uitzonderingen en speciale gevallen. In die wereld zijn wetten die de elektronen beschrijven op menselijke schaal niet van toepassing. Om die reden zal Super Mario nooit de elektronica uitvinden. In de echte wereld bestaat wel overeenstemming tussen die niveaus: de fysische wetten schalen, door het grote te bestuderen leer je over het allerkleinste. Het feit dat fysische basiswetten in elegante, dwingende wiskunde zijn vervat, is een geschenk uit de hemel en een duidelijk signaal dat je niet nog dieper kunt. Wie onze wereld ook heeft bedacht, smaak heeft hij.”

Moderne natuurkunde, de quantumchromodynamica in het bijzonder, komt volgens sommigen aardig in de buurt van het oude Pythagoreïsche ideaal om de werkelijkheid in louter getallen te vatten. Is een neutrino met massa een stap in die richting?

“Dat zou heel goed kunnen. Aan de basis van het idee staat de waarneming van Pythagoras dat twee gelijke snaren, bijvoorbeeld van een lier, alleen harmoniëren als hun lengtes zich verhouden als gehele getallen; 1:2 geeft een octaaf, 2:3 een kwint - zintuiglijk waarnemingen vertaald in pure getallen. In de klassieke chemie is daarvan geen sprake. Die theorie is wijd toepasbaar en krachtig, maar zonder het van buitenaf invoeren van de chemische valenties van alle elementen, en nog veel meer, krijg je hem niet aan de slag. Maar meem je QCD, en vereenvoudig je de zaak tot twee massaloze quarks, dan is uitgaande van slechts twee getallen - 2 voor het aantal quarks, 3 voor het aantal kleuren - van alles uit te rekenen, zonder dat je ook maar één gegeven van buiten hoeft in te voren. Het ideaal is dan is een alomvattende theorie, inclusief zwaartekracht, die alles uitdrukt in combinaties van pure getallen en slechts drie fundamentele natuurconstanten: de constante van Planck, de gravitatieconstante van Newton en de lichtsnelheid. Symmetrie volgens SO(10), een idee dat strookt met Kamiokande, is een stap in die richting. Maar vandaar is een lange weg te gaan.”

Welke dringende natuurkundige problemen zou u graag de wereld uit helpen?

“Embarrassing is het gewicht van het vacuüm. Waarom weegt de lege ruimte, volgens onze theorieën toch een materieel medium waar grote bedrijvigheid heerst, zo goed als niets? Een niet-fysicus zal het probleem waarschijnlijk ridicuul toeschijnen, maar wie in de theorie thuis is kan niet anders dan in hoge mate verontrust zijn.

“Algemener: stel dat we een geünificeerde theorie hebben, dat we de ultieme vergelijkingen kennen. Dan dringt zich de vraag op: Is de oplossing uniek, te weten ons universum, of zijn er meerdere mogelijkheden? Graag zou ik het antwoord weten.

“In de praktijk spelen minder verreikende vragen. Is het proton stabiel? Is de natuur supersymmetrisch? Die zijn opwindend genoeg en we hebben er vat op. Ook de massa van het neutrino hoort in deze categorie. Ik heb goede hoop dat we over vijf jaar duidelijkheid hebben.

“Kijk je naar de natuurwetenschap als geheel, dan ligt daar nog steeds de levensgrote vraag naar de werking van ons bewustzijn. Kun je voldoende over de hersenen te weten komen, zou je willen weten, om een wiskundig model te construeren - en daadwerkelijk op een computer door te rekenen - dat in zijn vermogens met het brein in ons hoofd kan wedijveren? Dat is pas werkelijk een uitdaging.”

    • Dirk van Delft