Higgs en dan niks?

Het afgelopen jaar was een hoogtepunt voor de fysica. De ontdekking van het Higgs-deeltje door de Large Hadron Collider (LHC), bekendgemaakt op 4 juli 2012, was de culminatie van 48 jaar denken, debatteren, ontwerpen, bouwen en meten. Nu moeten natuurkundigen anderhalf jaar hun adem inhouden voordat een opgevoerde LHC vanaf 2015 met bijna dubbele sterkte het speurwerk naar nieuwe deeltjes gaat voortzetten. Iedereen verheugt zich op meer spectaculaire doorbraken.

Alleen, soms spookt een andere, donkere gedachte door het hoofd. Misschien is het resultaat van die volgende zoektocht wel... niets. Misschien is het Higgs-deeltje wel het enige wat gevonden gaat worden. Want, zonder de feestvreugde te drukken, het is wel een beetje jammer dat er tot nu toe zelfs niet de kleinste hint van iets anders is gezien.

Zo’n negatief resultaat zou diep teleurstellend, maar ook heel verrassend zijn. Het zou in menig opzicht een radicale breuk zijn met de favoriete methode waarop de natuur haar zaken organiseert. De natuur is namelijk graag “natuurlijk”.

Laat ik een alledaags voorbeeld geven van dit principe van ‘natuurlijkheid’. Stel, het enige dat u weet van een huishoudelijk apparaat is dat het duizend watt energie verbruikt. Wat kan dat voor apparaat zijn? Hoe groot is het? Alleen al uit het energieverbruik kunnen we een voorzichtige schatting maken van de afmetingen. Ergens tussen de 10 centimeter en 1 meter, zou ik zeggen. Bijvoorbeeld een vaatwasmachine, een stofzuiger of een haardroger. Veel kleiner kan niet, want dan zou de geconcentreerde vrijkomende hitte alles doen smelten. Veel groter ook niet, aangezien er dan niet genoeg energie is om de onderdelen in beweging te brengen.

We weten dus dat het geen microchip of graafmachine betreft. Het is geen toeval dat alle huishoudelijke apparaten dezelfde grootte hebben als het menselijke lichaam of een onderdeel daarvan, en ongeveer zo veel energie verbruiken als een mens tijdens een topprestatie. Dat zijn namelijk de natuurlijke schalen van onze huis-tuin-en-keukenwereld.

Wat voor ons dagelijks leven geldt, geldt ook voor de rest van het universum. Volgens het principe van natuurlijkheid organiseert de natuur zich op gescheiden schalen van lengte en tijd. Dit leidt tot het zeer succesvolle reductionistische wereldbeeld, waarin de kennisdomeinen als Russische matroesjkapoppetjes in elkaar genesteld liggen, elk met eigen wetten en begrippen. Een bioloog hoeft maar weinig te weten van zwarte gaten, een socioloog kan zonder de Wet van Archimedes en de deeltjesfysica houdt zich ver van de psychologie. Anders gezegd, er zijn geen afwasmachines aangedreven door een kernreactor. Dat zou onnatuurlijk zijn.

Deze natuurlijkheid is extra belangrijk voor elementaire deeltjes zoals het Higgs-boson. De quantumwereld heeft eigen wetten gebaseerd op kans en waarschijnlijkheid. Zo zijn deeltjes schatplichtig aan het ‘totalitaire principe’ van de Nobelprijswinnaar Murray Gell-Mann: alles wat niet verboden is, is verplicht. Anders gezegd, als iets mag gebeuren, dan zal er voor de kleinste deeltjes altijd een zekere kans zijn dát het ook gebeurt. Dit is een subtielere variant van de Wet van Murphy die zegt dat als het fout kan gaan, het ook fout zal gaan.

Het Higgs-deeltje is bijzonder gevoelig voor dit principe. Ieder ander deeltje bemoeit zich er mee en dat heeft een dramatisch effect. Het Higgs-deeltje wordt er gigantisch veel zwaarder door, zo zwaar dat alleen een magische plus-en-min-rekening zijn bestaan kan verklaren.

Terug naar onze metafoor van een keukenapparaat met een vermogen van duizend watt. Nu horen we tot onze verbazing dat het geen afwasmachine is, maar een gigantische fabriekshal vol enorme apparaten die een miljoen keer zoveel energie gebruiken. Hoe kan de elektriciteitsrekening toch zo verrassend laag zijn? Er is maar één oplossing: er moet een extra toevoer van energie zijn in de fabriekshal, bijvoorbeeld een kernreactor. Alleen door heel zorgvuldig productie en gebruik af te stemmen kun je op zo’n lage elektriciteitsrekening uitkomen. Maar dat vraagt een geraffineerd ‘onnatuurlijk’ ontwerp, speciaal gebouwd om ons om de tuin te leiden.

Is de deeltjesfysica op dezelfde wijze fijn afgestemd? Is er een samenzwering tussen de quantumeffecten die ons het Higgs-deeltje geven?

De fysica staat nu voor een existentiële tweesprong. Óf de natuur is ‘natuurlijk’ en tot onze grote vreugde worden er in Gèneve de komende jaren nieuwe deeltjes en mechanismen gevonden die alles zullen verklaren. Óf de natuur is ‘onnatuurlijk’, de deeltjesversneller vindt naast het Higgs-deeltje helemaal niets meer en we zien voor het eerst het einde van het reductionisme.

Die laatste mogelijkheid is niet ondenkbaar. Er is alvast één ander voorbeeld van een ‘onnatuurlijk’ effect en wel op de allergrootste schaal. Het universum lijkt doordrongen van een mysterieus energieveld, donkere energie genaamd, die het heelal versneld doet uitdijen. Hoewel cruciaal voor de kosmische evolutie, is het een onnatuurlijk zwak verschijnsel. In natuurlijke eenheden treedt het pas op bij de 120ste decimaal achter de komma, het kleinste getal in de wetenschap. En niemand begrijpt waar het vandaan komt. Het heelal lijkt extreem nauwkeurig afgestemd op de grootste schaal. Is er eenzelfde samenzwering op de kleinste afmetingen? De experimenten zullen het ons leren. Binnenkort in dit theater: Higgs, The Sequel.