De ondeeltjes-hype

Als hallucinatie van Howard Georgi ontstonden ze: ‘ondeeltjes’, die alle massa’s tegelijk kunnen hebben. Nu blijkt dat ze misschien worden gevonden in Genève, is de opwinding compleet. Margriet van der Heijden

In een fractal (boven) herhalen steeds dezelfde patronen zich van de kleinste tot de grootste schaal. Hieronder een stuk van de 27 kilometer lange, ondergrondse Large Hadron Collider bij cern. foto jupiterimages/CERN CERN

Er hangen drie A4’tjes naast de deur. ‘If this door is open, please walk in and have a seat’, staat met rode stift op het bovenste. ‘ps: that’s right – don’t knock – just walk right in’, op het middelste. En onderaan: ‘pps: I really mean it!!’

Maar de deur is op slot. Het is lunchtijd en het is stil op de derde verdieping van het Jefferson Laboratory van de Harvard Universiteit. In het grote gebouw van rode baksteen, met grijze dakpannen, lange schoorstenen en houten vloeren is geen fysicus te bekennen.

Tot daar, gehaast, theoretisch natuurkundige Howard Georgi (61) komt aanlopen door de schemerige gang. Witte gympen, rode trui, een baard zo lang als een liniaal én van oor tot oor. “Hi”, zegt hij met een wat onderzoekende blik, en gaat dan voor, de met papieren en boeken bezaaide kamer binnen.

In de theoretische deeltjesfysica is Georgi beroemd. Hij deed pionierswerk aan het onder één noemer brengen van de drie krachten die atomen bijeenhouden (de sterke, de zwakke en de elektromagnetische kracht). Hij rekende aan de sterke kracht die quarks bijeenbindt tot kerndeeltjes. En de laatste jaren onderzocht hij uitbreidingen van het ‘Standaard Model’ dat de elementaire deeltjes, bouwstenen van materie, beschrijft én de drie krachten die hen tot materie aan elkaar lijmen.

Daarin past zijn artikel over ‘ondeeltjes’. De conceptversie ervan stuurde hij ruim een jaar geleden per email aan een paar van zijn collega’s en ‘beste oud-promovendi’ . “Bijgesloten hallucinatie had ik een paar dagen geleden en sindsdien heb ik als in trance geprobeerd de details ervan uit te werken”, schreef hij. “Ik dacht dat het nu tijd was ze op een paar van mijn vrienden los te laten. Omdat het waarschijnlijk beschamende onzin is, zou ik het op prijs stellen als je dit een paar dagen voor jezelf zou kunnen houden.”

ondeeltje

Onzin was het natuurlijk niet. Dat moet Georgi ook toen al hebben geweten. Toch is hij nog steeds, zegt hij met een korte lach, “very confused” over wat hij in dat artikel voorstelde: namelijk dat er ‘ondeeltjes’ bestaan. Deeltjes die eigenlijk geen deeltjes mogen heten. Die zich ook niet gedragen als deeltjes. Bijvoorbeeld doordat ze niet, zoals alle andere deeltjes, een bepaalde, goed gedefinieerde massa hebben. Ondeeltjes kunnen, vreemd genoeg, alle denkbare massa’s tegelijk aannemen.

“Als ik zeg dat ik in verwarring ben, dan doel ik dus: over die ondeeltjes zelf”, zegt Georgi, gezeten op de gele bank onder het raam in zijn werkkamer. Nou ja, ook de enorme belangstelling ervoor is verbazingwekkend, voegt hij toe. “In een jaar tijd zijn ze zó populair geworden.” Het artikel over zijn ‘hallucinatie’ is een van de meest geciteerde artikelen van 2007 in de theoretische natuurkunde.

Het lijkt of Georgi zelf zich daar een beetje ongemakkelijk bij voelt. Ik wilde, zegt hij een paar keer, gewoon een stap achteruit doen en kijken of ik niet iets geks kon bedenken.

Dat ‘gekke’ verklaart waarschijnlijk een deel van de enorme interesse, de hype zo je wilt, zeggen collega-theoretici. En ook de naam ‘ondeeltjes’ is handig gemunt.

Maar waarschijnlijk werd de meeste belangstelling niet opgewekt door de spookachtige ‘ondeeltjes’ zelf, maar door wat ze kunnen. In een tweede artikel verving Georgi namelijk de moeilijk te beantwoorden vraag ‘wat zijn ondeeltjes?’, door een veel concretere: ‘zouden we ondeeltjes kunnen zien?’

“En het antwoord daarop”, zegt hij, op de gele bank in het stille gebouw, “was ja. In de grote nieuwe LHC-versneller die vanaf het einde van de zomer op het Europese centrum voor deeltjesonderzoek CERN bij Geneve gaat proefdraaien zouden ondeeltjes kunnen opduiken.” (Zie kader ‘Ondeeltjes zijn wat je mist’.)

Dat gaf opwinding onder deeltjesfysici. Waren de grote deeltjesdetectoren bij die LHC-versneller inderdaad gevoelig genoeg om iets onverwachts als ondeeltjes waar te nemen? Moesten ze nog razendsnel worden aangepast? En was de analysesoftware voorbereid? Of zou die, toegesneden op het vinden van andere deeltjes, de deeltjesbotsingen met ondeeltjes al in een vroeg stadium als rommel weggooien?

Een logische volgende vraag was waarom er ondeeltjes zouden opduiken. Wat was hun noodzaak? Hadden ondeeltjes iets te maken met het feit dat er – gelukkig voor ons – na de Oerknal meer materie dan antimaterie overbleef? Vormden ondeeltjes (een deel van) de donkere materie – de onbekende en onzichtbare materie die in de kosmos op grote schaal aanwezig moet zijn? Meer concreet: waren sporen van ondeeltjes met terugwerkende kracht in supernova-uitbarstingen te vinden?

Maar zelf, zegt Georgi, is hij in zulke ‘fenomenologie’ niet geïnteresseerd. En van de finesses van de kosmologie weet hij weinig. “Ik ben te oud om daar een expert in te zijn. Tegenwoordig worden er fantastische precisiemetingen uitgevoerd, maar ik ben nog opgeleid met de notie dat kosmologie quasireligieuze abacadabra is.”

Zijn eigen interesse in ondeeltjes is simpelweg ‘filosofisch’, zegt hij, en betreft de vraag wat ondeeltjes theoretisch betekenen. “Het doet me veel plezier om na te denken over de implicaties van dit op zichzelf zo eenvoudige model.”

De ‘simpele’ aanname is dat ondeeltjes wél massa hebben en toch ‘schaalinvariant’ zijn. Schaalinvariantie is een begrip dat in het dagelijks leven zelden opduikt. ‘Fractals’ zijn schaalinvariant: daarin herhaalt zich een kleinschalige structuur zodanig dat op grote schaal dezelfde structuur ontstaat. Het fenomeen is bijvoorbeeld zichtbaar in bloemkool en broccoli.

Maar meestal ziet de wereld er juist anders uit wanneer je inzoomt. Je ziet nooit hetzelfde wanneer je van helikopterview naar straatniveau afdaalt, en dan via microscoop en versneller de atomen induikt. Dat komt doordat de elementaire deeltjes massa hebben en materie vormen. Een heelal gevuld met massaloze deeltjes, zoals lichtdeeltjes, zou er wél overal identiek uitzien.

Ook de krachten in de natuur manifesteren zich op verschillende schalen. De zwaartekracht geeft de kosmos vorm, maar is op de atomaire schaal zo zwak dat hij in het niet valt. De andere drie krachten (elektromagnetische, zwakke en sterke kracht) beheersen de atomaire wereld, maar zijn juist op grotere schalen volstrekt ondergeschikt.

Ondeeltjes komen voort uit een tot dusver verborgen gebleven wereld die wel volledig schaalinvariant is, zo veronderstelt Georgi, en die ingewikkelder in elkaar zit dan een wereld gevuld met licht. ‘Gewone deeltjes’ kunnen in die verborgen wereld onmogelijk bestaan, maar er bestaat een theorie die zo’n wereld kan beschrijven: de conforme veldentheorie die werd uitgewerkt door Nobelprijswinnaar Kenneth Wilson.

De ondeeltjes zouden, in experimenten zoals bij LHC, deze verborgen wereld voor het eerst zichtbaar kunnen maken. Het vreemde trekje dat ze elke denkbare massa kunnen aannemen, hangt daarbij nauw samen met hun schaalinvariante herkomst. Het betekent dat massa irrelevant is voor ondeeltjes. Dat ze, of hun massa groot of klein is, steeds hetzelfde zijn. Ongeveer zoals broccoli hetzelfde oogt op grote en kleine schaal: schaalinvariant dus.

In zekere zin, zegt Georgi, is dat een andere manier van kijken naar het oude werk van Kenneth Wilson. “It was a trip down memory lane.”

linoleum

In het instituut voor theoretische fysica in Amsterdam geen houten vloeren en schemerige gangen. Er ligt linoleum op de vloer, en helder Hollands licht valt de kamer binnen van theoretische natuurkundige Marika Taylor. Zelf werkt ze vooral aan snaartheorie, maar vorig jaar bestudeerde ze Georgi’s artikel – “je moest wel, want er werd zoveel over gepraat”.

Nu ligt op haar tafel een ander artikel, van de beroemde Argentijnse theoreticus Juan Maldacena. Het werd vorig jaar bijna net zo vaak geciteerd als dat van Georgi. Maldacena werkt er een onderwerp in uit (conforme veldentheorie en het holografisch principe) dat even exotisch klinkt als ondeeltjes.

“Maar over een paar jaar”, zegt Taylor, terwijl ze op het papier tikt, “zal dit stuk heel veel meer impact gehad hebben, denk ik.” Want de ondeeltjes, hoe zinvol het ook is dat originele ideeën geopperd worden, zijn een hype, zegt zij in haar verzorgde Engels. “En ik denk dat de piek alweer achter ons ligt.”

Ondeeltjes zijn geen ‘onderwerp op topniveau’, vindt Taylor. “Mensen die iets zoeken om aan te rekenen, gaan ermee aan de slag.” En daarvan zijn er heel erg veel, want theoretische fysici wachten al jaren op de resultaten uit de grote LHC-versneller. Die zouden eindelijk kunnen aangeven welke theorieën en welke modellen zinvol zijn en welke niet.

mislopen

Fenomenologen, die modellen bouwen om concrete meetresultaten te verklaren, zegt Taylor, “hebben intussen over alle mogelijkheden duizenden artikelen geschreven. En dan is er iets nieuws, en daar duikt iedereen dan bovenop om het vooral niet mis te lopen.”

Alleen: er zijn geen dwingende redenen voor het bestaan van ondeeltjes. “Je kunt de ondeeltjes proberen te laten samenvallen met de onzichtbare en onbekende donkere materie. Dat gaat misschien heel goed, alleen verklaart het nog niks. En dan stel je een volgende vraag: hoe krijgen deeltjes massa? Of: waarom is de zwaartekracht zoveel zwakker dan de andere krachten? En dan blijkt dat ze daarop evenmin antwoord geven.”

Dat vindt ook Michelangelo Mangano, theoreticus fysicus op het CERN en expert op het gebied van alle natuurkunde die verder reikt dan het Standaard Model. “Het is een mooi idee, en ik wil geen kleinerende woorden gebruiken, maar ik zie geen dwingende redenen voor ondeeltjes”, zegt hij aan de telefoon. “Ik zie niet waarom er ondeeltjes moeten zijn, en ik zie niet welke problemen ze zouden oplossen. Dat is een persoonlijk standpunt, ik heb er verder geen sterke gevoelens over”, voegt hij toe.

Of ondeeltjes problemen oplossen? Georgi zelf maakt zich daarover niet druk. “Ik zou het leuk vinden als iemand ontdekt dat ze nuttig zijn”, zegt hij, “maar voor mij zijn ze een puzzel, gewoon iets waarvan ik me realiseerde dat het heel interessant was.”

En ja, uiteindelijk moeten experimenten, zoals bij LHC, natuurlijk de doorslag geven, zegt hij desgevraagd. Want: “alle vooruitgang in ons vak wordt voor honderd procent gedreven door experimentele data.”

En als dan de ondeeltjes niet worden gevonden? Georgi haalt zijn schouders op: “Als er geen experimenteel bewijs voor een theorie is, verlies je natuurlijk je interesse erin.” Maar voorlopig peinst hij nog met plezier over de ondeeltjes en hun gedrag. En is hij er graag over in verwarring.

“Dat is wat natuurkunde zo leuk maakt: dat je je hele leven verbaasd en in verwarring kunt zijn over wat je hebt gevonden.” Hij kijkt even. “Nou ja, met onderbrekingen. Permanent in verwarring zijn, is niet de bedoeling.”