Wedden, collega?

In zijn column over het leven van de Large Hadron Collider na Higgs (bijlage Wetenschap, 31 augustus) geeft Robbert Dijkgraaf de lezer twee mogelijkheden: de LHC vindt niks na Higgs, of nieuwe deeltjes en mechanismen. Een van die twee zal wel uitkomen, maar uit het resultaat ‘niks’ volgt niet „...we zien voor het eerst het einde van het reductonisme.” Want er is meer tussen hemel en Aarde dan de LHC: we hebben het hele Heelal nog om ons verder te helpen.

Men zou kunnen denken dat ons reusachtige Heelal weinig te zeggen heeft over de kleinste deeltjes. Maar dat is niet zo. Het gedrag van ons Heelal op extreem grote schaal wordt beheerst door de structuur, de dynamica en de hoeveelheid van ruimte-tijd zoals beschreven door Einsteins Algemene Relativiteitstheorie. Op kleine schaal ervaren wij de structuur en de dynamica van de ruimte als zwaartekracht. Op grote schaal gaat het alleen om de hoeveelheid ruimte. Die wordt slechts door een enkele grootheid beschreven: de schaalfactor. Deze grootheid beschrijft de uniforme uitdijing van het Heelal. In tegenstelling tot de bewegingen van materie door de ruimte, gaat het hier om beweging van de ruimte.

Vroeger was er minder ruimte in ons Heelal dan nu, voor dezelfde hoeveelheid materie en energie. Dus was het Heelal vroeger heter en compacter dan nu. Er was ooit een tijd, 13,8 miljard jaar geleden, dat er in het geheel geen ruimte was. Onze kosmos gedraagt zich dus als een gigantische fabriek van hoge energie, waarin alle mogelijke deeltjesprocessen ooit een rol hebben gespeeld.

De vraag is nu: zijn er aanwijzingen dat er wel degelijk meer aan de hand is met die deeltjes dan wij nu begrijpen? Die zijn er zeer zeker, ongeacht wat de LHC doet.

De meest opvallende is het feit dat er gewone materie in ons Heelal is. Deze ‘baryonische materie’ is het spul waar wij en de sterren van gemaakt zijn: atoomkernen bestaande uit protonen en neutronen, met bijbehorende elektronen. Over de prachtige details van deze materie berichtte Dijkgraaf in de genoemde column, en ook elders. Het opmerkelijke aan deze materie is dat het er is. Want in de oneindig hete oersoep waarmee ons Heelal begonnen is, was er evenveel materie als antimaterie. Maar nu is dat niet meer zo: er is geen noemenswaardige antimaterie in ons Heelal.

Hoe kan dat? Als een deeltje een bijbehorend antideeltje ontmoet, kunnen zij verdwijnen en overgaan in (licht)straling. Bij deze annihilatie verdwijnt er van elke soort precies evenveel. De netto hoeveelheden materie en antimaterie blijven perfect in evenwicht.

De enige nu bekende oplossing is, dat er ooit een tijd was waarin een verschil ontstond tussen materie en antimaterie. Daarbij kon een anti-baryon spontaan overgaan in een baryon. Dan ontsprong dus een zekere fractie van baryonen de annihilatie-dans. Door te meten hoeveel licht het Heelal bevat kunnen we schatten hoe klein die fractie was: ongeveer één op 10 miljard.

Hoe is het mogelijk dat een anti-baryon spontaan overgaat in een baryon? Dat is nu juist de vraag die ons Heelal voor ons opwerpt. Blijkbaar is het gebeurd, anders zouden er geen sterren en planeten bestaan: dan was er alleen maar licht. De symmetrie tussen materie en antimaterie was blijkbaar niet perfect. Door deze “symmetrie-breking” is het mogelijk dat antideeltjes spontaan overgaan in deeltjes. Tussen een gigantisch aantal annihilaties van deeltjes met antideeltjes, blijft dan een klein pietsie over. Dat noemen wij ‘materie’.

Er is dus een voortreffelijke reden om te vermoeden dat er in de deeltjeswereld nog reusachtige ontdekkingen te doen zijn, LHC of geen LHC. En die reden is samen te vatten als: wij bestaan.

Vincent Icke is hoogleraar theoretische sterrenkunde aan de Universiteit Leiden