De zwakke wisselwerking getemd

Martinus Veldman brak zich jarenlang het hoofd over de zwakke wisselwerking in de natuur. Toen kwam Gerard 't Hooft hem helpen. Samen zorgden ze voor een doorbraak in de theorie van de elementaire deeltjes.

Pas toen Gerard 't Hooft klaar was met zijn lezing, kreeg hij het grote nieuws te horen. ,,Tijdens mijn praatje merkte ik toenemend geroezemoes in de zaal, maar ik trok me er niets van aan en men liet mij keurig uitpraten. Toen ik klaar was, kwam de voorzitter naar voren om te vertellen dat er nieuws was uit Stockholm. En toen dacht ik: hé, na 25 jaar.''

't Hooft vertelt het met ingehouden vreugde. ,,Dit is de meest eervolle onderscheiding die je kan krijgen in de wetenschap.'' Dat maakt hem ,,buitengewoon vrolijk''. Hij was op werkbezoek in Bologna omdat daar detectoren worden ontworpen voor de Large Hadron Collider, een buitengewoon krachtige deeltjesversneller die in Genève in aanbouw is. 't Hooft hield een voordracht over de manier waarop de experimenten kunnen worden ingericht. Zijn gastheren improviseren meteen een feestje voor hem en rijden hem in auto met chauffeur naar de afspraak voor een interview. Maar zelfs in die feestvreugde blijft hij een wetenschapper: ,,Zo stiekem gaan er toch wel eens formuletjes door mijn hoofd heen. Dat gebeurt altijd wel.''

Terwijl collega-natuurkundigen zeggen dat de Nobelprijs voor 't Hooft en zijn leermeester Veltman al jaren in de lucht hing, kwam voor 't Hooft – één en al nuchterheid – de prijs als een verrassing. ,,Het werk dat nu is bekroond, dateert van begin jaren zeventig en heeft betrekking op het wiskundig funderen van de zogeheten elektro-zwakke wisselwerking, een bepaald type interactie tussen de kleinste bouwstenen van de materie. In 1979 kregen drie Amerikanen voor hun werk op dat gebied ook al de Nobelprijs. Op dat moment schoot het door me heen: had ik, Gerard 't Hooft, daar niet ook bij gemoeten? Dat Veltman en ik nu alsnog zijn bekroond, komt wellicht doordat recente experimenten in deeltjesversnellers de vruchtbaarheid van onze theoretische aanpak tot op hoge nauwkeurigheid hebben bevestigd.''

't Hooft, in 1946 geboren in Den Helder, ging in 1964 in Utrecht natuurkunde studeren. De liefde voor de exacte vakken zat er al vroeg in, gestimuleerd door zijn oom Nico van Kampen, destijds hoogleraar theoretische natuurkunde in Utrecht. ,,Als kind vond ik het heerlijk over de natuurwetten na te denken'', zegt 't Hooft in een interview met deze krant. ,,Die waren ten minste eenvoudig, zonder poespas. De wetten van de biologie en van de samenleving vond ik onbegrijpelijk, veel te ingewikkeld. Als Van Kampen weer eens bij ons thuis kwam, sprong ik als een vlo op hem af, zo gretig was ik, en hoorde hem uit.''

Na zijn doctoraalexamen theoretische natuurkunde werd 't Hooft in het voorjaar van 1969 promovendus van Martinus Veltman. Het waren de jaren dat het ene na het andere elementaire deeltje opdook – fysici spraken van een particle zoo. Maar een ordentelijk wiskundig schema om die stortvloed aan deeltjes in onder te brengen ontbrak. ,,Veltman was in Utrecht de enige fysicus die zich met de fundamentele problemen op dit terrein bezighield'', zegt 't Hooft. ,,Dat trok mij zeer.''

Veltman, sinds 1966 hoogleraar in Utrecht, brak zich het hoofd over de zwakke wisselwerking in de natuur, onder meer verantwoordelijk voor het verschijnsel radioactiviteit. In hun pogingen die wisselwerking wiskundig te beschrijven stuitten natuurkundigen op schijnbaar onoverkomelijke problemen: berekeningen leverden telkens 'oneindig' als uitkomst op, fysisch een absurde situatie. Veltman had zich als een der weinigen vastgebeten in een aanpak die op basis van bepaalde symmetrieën in de theorie met de oneindigheden moest afrekenen. ,,Omdat het maar niet wilde lukken, hechtten bijna alle theoretici nog maar weinig geloof in Veltmans aanpak'', zegt 't Hooft. ,,Van hem werd wel gezegd dat hij bezig was een verlaten, stoffig hoekje van de natuurkunde schoon te vegen. Veltman ergerde zich daar flink aan. `Jullie zullen nog weleens zien', was zijn reactie.''

Een sleutelrol in Veltmans pogingen de zwakke wisselwerking te temmen was een door hem zelf ontwikkeld computerprogramma, `Schoonschip' geheten. ,,Dat was in de tijd dat computers lang niet zo gewoon waren als nu'', zegt 't Hooft. ,,Schoonschip was een van de eerste programma's die niet alleen met getallen uit de voeten kon, maar waar je ook wiskundige formules in kwijt kon. Je stopte er een natuurkundige theorie in en het programma liet zien wat daarvan de consequenties waren. Op die manier kon je uitzoeken waar precies de kwaaie termen zaten die tot de oneindigheden aanleiding gaven, ze bij elkaar vegen en vervolgens proberen ze op een handige manier tegen elkaar weg te laten vallen en zo te elimineren. Aanvankelijk reageerde Veltman scherp op mijn ideeën. Zou dat wel wat worden? Wat doe jij beter dan ik tot nu toe gedaan heb? Maar samen kwamen we eruit en in 1971 publiceerden we de artikelen op basis waarvan we nu de Nobelprijs hebben gekregen.''

,,Ik bedacht de naam Schoonschip als grapje omdat niemand dat woord kon uitspreken'', zegt Veltman in zijn woning in Bilthoven. Na een hectische dag is de rust weergekeerd, al rinkelt de telefoon nog veelvuldig. ,,Later is op basis van dat programma door Wolfram het commercieel succesvolle softwarepakket Mathematica ontwikkeld. Terwijl de meeste theoretici zich verloren in allerlei formules, kon ik de dingen gewoon uitrekenen. Dat gaf mij een enorm voordeel. Maar de theorie was nog niet af. Het is de verdienste van 't Hooft dat hij inzag dat er nog iets extra's nodig was, het zogeheten Higgs-mechanisme. 't Hooft is briljant in het hanteren van wiskunde, er is op de wereld geen betere. Tegelijk is hij weinig extravert en zit in zijn eentje in zijn kamertje te werken. Op een gegeven moment kwam hij naar me toe dat hij de oplossing had. Ik dacht: verrek, dat is het.''

't Hooft promoveerde bij Veltman in 1972. Na diverse aanstellingen in het buitenland volgde in februari 1977 de benoeming tot hoogleraar theoretische natuurkunde in Utrecht. Aanvankelijk zette hij de samenwerking met Veltman voort, maar op een gegeven moment begonnen de meester en zijn leerling zich van elkaar te verwijderen en raakten ze zelfs gebrouilleerd. De overstap van Veltman in 1981 naar de Universiteit van Michigan in Ann Arbor heeft onder andere te maken met het botsen van twee sterke karakters. Inmiddels is Veltman met emeritaat. Gisteravond viel in het tv-programma Netwerk te zien hoe de laureaten elkaar via de telefoon moeizaam feliciteerden. ,,Ik beschouw een promovendus als een van mijn kinderen'', zei Veltman. ,,En wat moet je als hij je dan tegen de schenen schopt?'' In Bologna sprak 't Hooft de hoop uit dat de verhoudingen zich zouden normaliseren.

In de natuurkunde van de elementaire deeltjes is de aanpak van Veltman en 't Hooft inmiddels gemeengoed. Hij biedt een zeer effectief wiskundig voorschrift op basis waarvan de eigenschappen van elementaire deeltjes en hun interacties, samengebracht in het zogeheten Standaardmodel, met verbluffend grote precisie kunnen worden uitgerekend. De vondst van het W-deeltje, drager van de zwakke wisselwerking, was zonder het baanbrekende werk van het Utrechtse duo niet mogelijk geweest. Dankzij hun voorschiften konden deeltjesfysici gericht zoeken, waarna het in 1983 in de Geneefse deeltjesversneller van CERN opdook – voor zijn bijdrage aan de inrichting van dat experiment ontving de Nederlander Simon van der Meer in 1984 de Nobelprijs.

Nog altijd houdt 't Hooft zich volop bezig met het wiskundige bouwwerk dat de familie van elementaire deeltjes hanteerbaar moet maken. Maar daarnaast hebben ook minuscule zwarte gaten zijn interesse. Wanneer deeltjes elkaar zeer dicht naderen wordt de onderlinge zwaartekracht zo sterk dat zelfs de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein het laat afweten. ,,Hoe de interactie op die kleine schaal dan wel in elkaar steekt is een fundamenteel probleem'', zegt 't Hooft. ,,Het zou kunnen dat de deeltjes in die extreme situatie zich ontpoppen tot zwarte gaten. Het voorspellen van de eigenschappen van zulke piepkleine zwarte gaten is een enorme uitdaging. Maar het is wedden op een paard dat nog een verschrikkelijk eind te rennen heeft. Op dit moment staan de theorie van de elementaire deeltjes en die van zwarte gaten op gespannen voet met elkaar. Tegelijk kan zo'n scherp probleem, als we het weten te kraken, iets heel moois opleveren. Het houdt mij zeer bezig.''

Met medewerking van Marc Leijendekker