Waarom is het heelal niet in elkaar gestort?

Natuurkunde

Ondanks alle experimenten van de laatste tien jaar zijn de grote raadsels in de deeltjesfysica nog steeds niet opgelost. Natuurkundigen vragen zich af hoe ze ooit het antwoord moeten vinden.

Optocht van afbeeldingen van deeltjessporen, gedetecteerd in natuurkundige experimenten.
Optocht van afbeeldingen van deeltjessporen, gedetecteerd in natuurkundige experimenten. Illustraties Ingrid van Halteren

Begin december aten de fysici van het ATLAS-experiment taart. Tien jaar lang, met wat onderbrekingen, had hun gigantische ATLAS-detector deeltjesbotsingen vastgelegd bij de ook al enorme LHC-versneller van Cern, het Europese centrum voor deeltjesonderzoek bij Genève. Nu begon een tweejarige ‘pauze’: om de magneten, vacuümbuizen, elektronica en andere onderdelen van de LHC-versneller op te poetsen en om die ATLAS-detector – en de drie andere reusachtige detectoren bij de versneller – een opknapbeurt te geven.

Maar eerst vierden de fysici de successen van de afgelopen jaren. Met die taart. De belangrijkste wapenfeiten stonden in fijne chocoladestreepjes op het witte glazuur. De grafiek waarin het Higgs-deeltje opduikt natuurlijk. En meetpunten die nauwkeuriger dan ooit bevestigen dat het standaardmodel alle bekende bouwsteentjes van materie en hun interacties vastlegt als een precisieklok.

Toch ontbrak tussen chocola en zoete sneeuwvlokjes óók iets. Nieuwe deeltjes, nieuwe natuurkunde. Want: na de Higgs, volgde ‘niks’.

Hoe verder na Higgs?

Vooraf, voordat de LHC-versneller zijn miljarden deeltjesbotsingen had geleverd, lagen deeltjesfysici er wel eens wakker van. Wat als dat lang verwachte Higgs-deeltje níet zou opduiken? „En nog steeds kan ik er met mijn pet niet bij”, schudt deeltjesfysicus Marcel Vreeswijk van het Nikhef (het Nederlandse instituut voor deeltjesfysica) zijn hoofd, „dat iemand in de jaren vijftig op een papiertje schrijft: je hebt de elektromagnetische theorie; daar maak ik een extra energieveld bij, in het hele heelal; als ik dan dat veld een tik geef, sla ik er een deeltje uit..., én dat meten wij dan vijftig jaar later echt.”

Nu zitten hij en collega’s in een ander schuitje. Het Higgs-deeltje was de kers op de taart van het standaardmodel. Een triomf. Maar wat nu? Natuurlijk zijn er nieuwe vragen. Alleen al omdat elk antwoord een volgende vraag oproept. In het geval van de Higgs: waarom heeft het bijbehorende veld zo’n ridicuul grote energiedichtheid? Iets moet daarvoor compenseren, anders zou de kosmos allang zijn bezweken. Alleen: hoe ziet dat compenserend mechanisme eruit? Welke deeltjes horen er al dan niet bij?

Bovendien geeft het standaardmodel ook op veel vragen géén antwoord. Wat veroorzaakt bijvoorbeeld in en rond sterrenstelsels de ‘extra’ zwaartekrachtseffecten die niet aan sterren, gaswolken of andere zichtbare materie kunnen worden toegeschreven? Zijn het grote aantallen, nog onbekende ‘donkere-materiedeeltjes’ die zulke plooien in de kosmos boetseren? En: waarom is de zwaartekracht zo zwak ten opzichte van de krachten die de bouwsteentjes van materie tot atomen en moleculen samenbinden?

Super-symmetrische deeltjes

Zulke vragen bleken weerbarstiger dan gedacht. Veel werd bijvoorbeeld verwacht van ‘super-symmetrische’ deeltjes die én het Higgsveld konden temmen, én als donkere materie zouden kunnen optreden. Haast even elegant was het idee dat de zwaartekracht ‘verzwakt’ doordat ze grotendeels weglekt in extra dimensies, die zo strak zijn opgerold dat ze verder onzichtbaar blijven. Maar toen deeltjesfysici de afgelopen jaren met een grove kam door de bij LHC verzamelde data gingen, doken supersymmetrie noch extra dimensies op. „De natuur zwijgt”, zegt Vreeswijks collega Ivo van Vulpen, ook Nikhef en ook ATLAS, enigszins dramatisch.

En zo zitten Van Vulpen, Vreeswijk en collega’s ineens in een voor hen onbekende situatie. „Alsof je op een onbewoond eilandje zit, alles helemaal fantastisch, kokosnootje in de hand...”, zegt Van Vulpen. „Tot er een plastic roeibootje aanspoelt. Dan weet je: dat komt ergens vandaan. Er moet, ver over het water, nog iets zijn.”

De vragen bij het standaardmodel zijn als dat aangespoelde plastic. Ook zij maken duidelijk dat er méér moet zijn. En fysici hebben een scheepje om daarnaar te zoeken: die LHC-versneller. „Maar is ons bootje groot genoeg? Halen we er het volgende eiland mee?”, haakt Vreeswijk in. „En welke richting kiezen we?”

Ideeën uit de snaartheorie, die met de allerkleinste schalen en met extra dimensies rekent, liggen achter de verst denkbare einder, buiten bereik. Modellen die het zoeken in uitbreidingen van het standaardmodel, waaieren zo breed uit dat je er alle kanten mee op kan. Stuurloos? Van Vulpen en Vreeswijk formuleren het anders. „We zijn in een nieuw regime beland. De metingen zijn aan bod.” Die moeten nu de weg wijzen.

De komende twee jaar zullen ATLAS-fysici daarom in de verzamelde meetgegevens alle bekende fenomenen nog eens aftasten. Want stel dat op een paar plaatsen rimpelingen in de data opduiken, dan valt daar met wat puzzelen misschien een nieuw patroon in te ontdekken. En wie weet biedt dat een aanknopingspunt; duidt het op een mogelijk nieuw fenomeen of deeltje achter de horizon. Zoals een verandering in zeestroming, in golfpatronen, en in de blikkering van het licht een nog onzichtbaar eiland of een archipel kunnen verraden.

Het ideale nieuwe deeltje kwam niet

„Misschien zijn we inderdaad een beetje in een impasse beland”, beaamt Patrick Decowski voorzichtig. „De hoop was natuurlijk dat bij de LHC-versneller een nieuwe wereld zou opengaan.” Zelf werkt Decowski niet bij die LHC. Hij coördineert de Nikhef-bijdrage aan experimenten waarmee fysici jagen op donkere-materiedeeltjes die wellicht ook in ons eigen zonnestelsel rondhangen, in ijle wolken waar de aarde dan doorheen zeilt. Hoe mooi zouden alle puzzelstukjes niet op hun plaats zijn gevallen, als bij de LHC-versneller super-symmetrische deeltjes waren gevonden die óók als donkere-materiedeeltjes in Decowski’s experiment waren opgedoken.

Maar nee. In een ruimte die is uitgehouwen in het hart van het Gran Sassogebergte in midden-Italië, diep onder de rotsen, liep begin december de Xenon1T-detector van Decowski en collega’s leeg. De Gran Sasso – ‘Grote Steen’ – absorbeert vrijwel alle deeltjes uit de atmosfeer die storende signalen kunnen geven in het ondergrondse lab. De Xenon1T-detector droeg bovendien een ‘jas’ van water, terwijl het vloeibare xenon (3,2 ton) in het hart ervan voortdurend werd gefilterd. Bijvoorbeeld om zo het radon weg te vangen, dat uit de wanden van het vat in de vloeistof diffundeerde en via radioactief verval ‘rumoerig’ kon worden: dat straling, deeltjes en dus signalen kon afgeven.

Het idee was om in de doodse stilte een superzwak signaal hoorbaar te maken. En de hoop was dat zo’n superzwak signaal zou worden afgegeven door een donkere-materiedeeltje dat een biljartspelletje speelde met een van de xenon-atoomkernen in het vat. Dat zou een lawinetje van elektronen hebben ontketend en een lichtflitsje dat geregistreerd had kunnen worden in één van de elektronische ‘ogen’ rondom het vat. Maar niet dus, en Decowski vat dat nogal filosofisch op. Het hoort bij dit hoekje van de natuurkunde, zegt hij. „Toen ik postdoc was zei mijn begeleider al dat zijn carrière was gebouwd op ‘niks meten’”. En: „we moeten niet te ongeduldig zijn.”

De komende maanden schroeven Decowski en collega’s dus onverstoorbaar een volgende xenondetector in elkaar – met 8,6 ton nóg beter gezuiverd xenon. Blijft het ook daarin stil, dan willen ze met Amerikaanse onderzoeksgroepen rond 2025 een vat met 50 ton xenon onder de rotsen plaatsen – het ‘Darwin-experiment.’ „En vinden we dan nog niks, ja dan is de zoektocht via deze technologie wel een beetje voorbij.”

Op naar krachtiger schone botsingen

Groter en nog groter. Is dat ook de weg voor andere deeltjesfysici? Tristan du Pree vlooit bij Nikhef door de ATLAS-data; bekijkt hoe het Higgs-deeltje kan vervallen, hoe het kan koppelen aan andere deeltjes, aan zichzelf of misschien zelfs aan (vrijwel) onzichtbare deeltjes als neutrino’s of mogelijke donkere-materiedeeltjes; en hoe het daarmee zulke deeltjes massa geeft. „Het kan dat we zo toch iets verrassends leren.”

Tegelijk kijkt Du Pree verder vooruit. Tussen 2021 en 2025 zal de LHC-versneller een tikkeltje krachtiger botsingen leveren (van 13 naar 14 TeV) en vanaf 2025 zullen intenser bundels ook het aantal deeltjesbotsingen enorm opschroeven (drie miljoen miljard tegen 150.000 miljard tot nu toe). Maar de afgelopen jaren bekeek Du Pree bij Cern, met een grote, internationale groep collega’s, óók hoe het moet als de reusachtige, ultra-hightechversneller rond 2038 sluit. „Dan ben ik zo’n 55 en hoop ik nog 12 jaar te kunnen werken.”

In het Conceptual Design Report dat de groep twee weken geleden uitbracht, staan voorstellen voor nieuwe Europese versnellers die daarvoor kunnen zorgen. De gigantische en peperdure projecten worden in wereldwijd verband afgestemd. Lange tijd keek Europa naar Japan dat – misschien – vanaf 2025 de nieuwe International Linear Collider (ILC) zou huisvesten. In de ongeveer dertig kilometer lange, rechte ILC-tunnelbuis, zouden elektronen en positronen (de antideeltjes van elektronen) vanaf weerszijden frontaal op elkaar worden geschoten.

Niet zo vrolijk kerstcadeautje

Een voordeel is dat Higgs-deeltjes in botsingen tussen elektronen en positronen heel ‘schoon’ tevoorschijn komen, terwijl ze bij de LHC-versneller schuilgaan in een stortvloed van andersoortige deeltjes. Daarnaast kan je zo’n lineaire versneller makkelijk langer maken – er een stukje aan zetten en zo de botsingsenergie ophogen. Zo kan je, was het idee, het apparaat afstemmen op de grootschalige productie van lichte supersymmetrische deeltjes. Maar ja, die bestaan niet, liet de LHC zien. En dus had de Japanse wetenschappelijke raad vorige week een niet zo vrolijk kerstcadeautje voor deeltjesfysici: de ILC-kosten rechtvaardigen niet de baten, schreven ze de Japanse regering.

Of het dan voor Europa aantrekkelijk is wél zo’n lineaire versneller te bouwen? „Ik hoop dat Cern zijn kaarten op de Future Circular Collider (FCC) zet”, zegt Du Pree. Die versnellerring, met een omtrek van honderd kilometer, onder het meer van Genève door, en gevuld met talloze elektronen en positronen, moet eerst, in ‘schone’ botsingen, Higgs-deeltjes maken. Méér dan met de ILC mogelijk zou zijn. Daarna moeten er protonen in botsen bij ruim zeven maal hogere botsingsenergieën dan nu in de LHC. Dan duikt allicht wél zomaar een nieuw deeltje of fenomeen op dat voorbij het standaardmodel kan wijzen.

Botsen op goed geluk dus? Een scepticus zou zijn hoofd schudden. Of denken: laat China maar in dat gat springen. Dat land knalde een donkerematerie-detector in elkaar – PandaX – die concurrerend was met Xenon1T. En een met FCC concurrerende ringvormige versneller (CEPC) ligt ook al op de tekentafel. Maar dan wil Du Pree toch de huidige, leidende rol van Cern benadrukken, de ‘soft values’ van het instituut zoals internationale samenwerking en het delen van data, alle ultra-hightech, expertise en de waarde van wetenschap in het algemeen. „Dat wil je toch behouden? Of moet Europa straks enkel toeristen ontvangen?”

Raadselachtige neutrino’s

Hoe zit het, tot slot, met de raadselachtigste van alle bekende deeltjes: de neutrino’s? Ze komen in drie smaken, laten zich aan andere materie nauwelijks iets gelegen liggen, hebben een supergeringe massa – onbekend is welke en hoe de drie massa’s zich tot elkaar verhouden – en een meervoudige identiteit: een neutrino van de ene smaak manifesteert zich soms spontaan als neutrino van een andere smaak. Kan zulk ongrijpbaar gedrag een vingerwijzing geven voor iets wat voorbij het standaardmodel ligt? Iets verraden over onbeantwoorde vragen zoals waarom niet alle materie en antimaterie in de kosmos elkaar vernietigden en er – gelukkig voor ons – materie overschoot?

„Als neutrino’s gek kunnen doen, doen ze dat maximaal”, zegt Maarten de Jong. Drie jaar lang, van 2013 tot 2016, was hij vanuit Nikhef het gezicht van één van de neutrino-experimenten wereldwijd: het internationale KM3NeT. De Jong en zijn collega’s zijn net begonnen de eersten van ongeveer 600 lange lijnen uit te zetten in de Middellandse Zee. Achttien hardglazen ‘oogbollen’ aan elke lijn, gevuld met elektronica, moeten twee enorme watermassa’s gaan bewaken. Net als bij Xenon1T zullen ze lichtflitsjes registreren, nu veroorzaakt door (hoogenergetische) neutrino’s uit de kosmos die botsen met atoomkernen in het zeewater.

Voor de kust van Sicilië willen KM3NeT-fysici zo de herkomst van die neutrino’s proberen vast te pinnen; kijken of ze uit een kosmisch object komen en wat ze daarover vertellen – iets wat bij de Amerikaanse tegenhanger op de Zuidpool (IceCube) nog niet onomstreden is gelukt. In zee bij het Franse Toulon willen ze dan de neutrinomassa’s (beter) op een rij krijgen. Maar waarom de kosmos niet bezwijkt, er materie overschoot, de zwaartekracht zo zwak is, dat blijft in de lucht hangen.

De mensen weten zo weinig

Hoe moet het dan verder – op den duur? Welke kant moet het bootje op? Het heelal is zo groot, de aarde zo klein en mensen, ook deeltjesfysici, weten zo weinig. Alles ziet er natuurlijk anders uit als, bij die super-intense LHC bijvoorbeeld, toch zomaar een deeltje of fenomeen tevoorschijn popt dat de kosmos weer iets begrijpelijker maakt. Maar voorlopig – en hoe interessant precisiemetingen aan het standaardmodel ook mogen zijn – lijkt een baken om op te koersen nog niet gevonden.

    • Margriet van der Heijden