Wedden op deeltjes

Nieuws | de redactie
21 augustus 2008 | In Genève zullen 10 september de eerste protonenbundels hun rondjes door de enorme, nieuwe deeltjesversneller LHC gaan maken. “Er zijn legio clandestiene bookmakers hier op CERN waar je op basis van je eigen favoriete theorie je weddenschap op de massa van het Higgs boson kunt uitbrengen.” vertelt Bart Buijs (RU, oud-bestuurlid ISO). Hij zit er voor ScienceGuide bovenop, want hij neemt deel aan het CERN Summer Student Program en werkte mee aan de calibratie van de Muon Spectrometer van het ATLAS experiment. Hij vertelt over de laatste loodjes en de jongste ontwikkelingen.

BIJNA

In de edities van het CERN bulletin die deze zomer verschenen stond het woord bijna met steeds dikkere letters geschreven. Bijna alle sectoren van de buis zijn koel genoeg, Bijna alle onderdelen van de detectoren zitten onder de grond, BIJNA niemand kan de put meer in.

Op 7 augustus kwam het nieuws: over een maand, op 10 september zouden de eerste bundels protonen hun rondjes door de Large Hadron Collider (LHC) maken. De eerste tests duiden erop dat na decennia werk van duizenden mensen en investeringen van miljarden Zwitserse Franken de LHC er eindelijk, bijna klaar voor is.

Net op tijd. De Europese onderzoeksministers waren al gepland om in oktober wat te komen drinken om te vieren dat het nu een kwestie van tijd is voordat hier in Genève oude natuurkundevragen worden opgelost en de eerste aanwijzingen voor de grotere vervolgvragen wellicht zichtbaar zullen worden.

HET STANDAARD MODEL EN HET ‘HIGGS BOSON’

Alle materie die wij kennen laat zich fantastisch beschrijven door het zogeheten Standaard Model. Het is de meest fundamentele en best geteste natuurkundige theorie die de mensheid bekend is. Eenieder die zich in het Standaard Model verdiept wordt geraakt door de kracht ervan. Door te kijken naar de symmetrieën die in de natuur aanwezig zijn, kan op een relatief eenvoudige manier het gedrag van deeltjes worden beschreven.

De theorie beschrijft drie van de vier fundamentele krachten: de sterke wisselwerking (die ervoor zorgt dat atomen bij elkaar blijven), de zwakke wisselwerking (verantwoordelijk voor radio-activiteit) en de electromagnetische wisselwerking (beschrijving van licht en lading). Het Standaard Model is een quantumveldentheorie. De enige kracht die ontbreekt is de zwaartekracht, omdat het nog niemand gelukt is om ook de algemene relativiteits theorie van Einstein -die het effect van massa’s op ruimte-tijd beschrijft- en het Standaard Model te verenigen in een toetsbare wetenschappelijke theorie: de theorie ‘van alles’.

In het Standaard Model worden de symmetrieën van de natuur uitgebuit door deze om te zetten in vergelijkingen van vrije deeltjes zonder massa’s en zonder interacties. Dat is namelijk een situatie die eenvoudig te beschrijven is. De strategie van het Standaard Model is om vervolgens alles wat er gebeurt te beschrijven als een kleine verstoring van deze eenvoudige situatie. Een van de belangrijkste wijzigingen die hiervoor aangebracht moet worden is gelegen in het feit dat een heleboel deeltjes wel degelijk massa hebben.

Echter, wanneer je direct een massa zou introduceren in de theorie raak je de eenvoud van de symmetrie kwijt. Voor een eenvoudige en correcte beschrijving is dus zowel de symmetrie nodig als de afwezigheid ervan.

De oplossing voor dit probleem werd theoretisch uitgedacht in de jaren zestig door Peter Higgs. Door een nieuw vacuüm te creëren omschrijft het Higgs mechanisme wat ‘spontane symmetriebreking’ wordt genoemd. Verschillende deeltjes krijgen via dit mechanisme massa proportioneel aan de vacuümwaarde van het Higgs veld. Het bestaan van zo’n Higgs veld impliceert echter dat er dan een deeltje moet voortkomen uit dat veld. Dit deeltje is het veelbesproken Higgs boson.

Precisiemetingen van de elektrozwakke wisselwerking hebben het succes van het Standaard Model met het Higgs mechanisme al laten zien. Zonder Higgs boson echter geen Higgs mechanisme.

Voor een onomstotelijk bewijs moet dit Higgs deeltje dus gevonden worden. In het Standaard Model is de massa van het Higgs deeltje zelf echter een vrije parameter. De theorie vertelt ons niet hoe zwaar hij zou moeten zijn. Het enige dat we weten is dat hij zwaarder is dan 114 GeV, de reikwijdte van de vorige versneller, en lichter dan zo’n 1 TeV (1000 GeV), om statistische redenen.

Om zo’n Higgs boson te maken moeten deeltjes versneld worden tot er voldoende energie beschikbaar zijn in om deze via Einsteins E=mc2 om te zetten in de massa van het Higgs boson. De LHC zal op zijn maximum botsingen van 14 TeV veroorzaken. Als het Higgs deeltje bestaat zal het dus gevonden worden in de LHC.

ONDERTUSSEN IN CHICAGO

Het Higgs deeltje is het enige deeltje van het Standaard Model dat voorspeld is, maar nog niet gevonden. De op-een-na-laatste was het top-quark dat in 1995 door het Fermilab in Chicago werd ontdekt met behulp van de Tevatron versneller.

In Chicago hebben ze sindsdien uiteraard ook niet stil gezeten. Hoewel in principe de Tevatron veel minder geschikt is voor het vinden van het Higgs boson is het onder bepaalde omstandigheden wel mogelijk dat het daar wordt gevonden. Commotie dus hier op CERN toen de CDF en D0 experimenten bij de Tevatron op 4 augustus – inderdaad, slechts drie dagen voor de bekendmaking van de startdatum van de LHC! – konden laten zien dat de massa van het Higgs boson in ieder geval niet 170 GeV was.

En ze lieten weten dat ze hard doorgaan met zoeken om ook uitsluitsel te geven over andere massa’s. Hoewel het zelfvertrouwen hier groot is dat het Higgs boson als CERN PR-paradepaardje zich hier in Geneve voor het eerst zal laten zien, levert de nek-aan-nek-race met Tevatron toch enkele zweetdruppeltjes op.

HET STANDAARD MODEL VOORBIJ

De ontdekking van het Higgs boson is echter pas het begin. Ook wanneer het Higgs boson gevonden wordt zijn er nog voldoende open vragen. Voorbeelden zijn de vragen “Waarom zien we die spontane symmetriebreking niet ook bij de sterke kernkracht?”, “Waaruit bestaat donkere materie en donkere energie?” en “Waarom is er zoveel materie in het heelal ten opzichte van antimaterie?”.

Met de LHC versneller gaat de hoge energiefysica een nieuw tijdperk in. De eerste tekenen van de natuurkunde voorbij het Standaard Model moeten zichtbaar worden op de TeV-schaal die we nu gaan verkennen. Supersymmetrie, de omvang van CP-schending, extra dimensies en het quark-gluon plasma, zijn slechts een greep uit de onderwerpen die met de LHC binnen experimenteel bereik komen.

Ook hier speelt echter de massa van het Higgs boson weer een rol. Verschillende theorien, vooral verschillende vormen van het populaire idee van supersymmetrie, vragen om verschillende Higgs-massa’s. Hoewel binnen het Standaard Model de massa van het Higgs boson dus niet gegeven wordt is ligt dit voor deze nieuwere theorien anders.

Mocht iemand er zin in hebben: er zijn legio clandestiene bookmakers hier op CERN waar je op basis van je eigen favoriete theorie je weddenschap op de massa van het Higgs boson kunt uitbrengen. De winnaar van de weddenschap heeft de meest kansrijke nieuwe theorie in handen.

DE COMMOTIE

De deeltjesfysica staat bekend als een moeilijk toegankelijk en ingewikkeld vakgebied. De grote publieke belangstelling voor de LHC is duidelijk iets waar het vakgebied aan moet wennen. Een van de voorspellingen die is gedaan is dat bij de botsingen in de LHC miniscule zwarte gaten worden gevormd.

Dankzij een van CERN’s beroemdste uitvindingen, het internet, is de angst hiervoor zich razendsnel verspreid. De risico’s van het aanzetten van de LHC zouden onvoldoende in kaart zijn gebracht. Wat als er een zwart gat ontstaat bij een LHC botsing, dat vervolgens de aarde en alles wat erop rondloopt opeet? Of wat als er bij de botsing zeer gevaarlijke vreemde materie ontstaat die ons allemaal kan vernietigen?

Wie “LHC risk” op google intypt vind een niet mis te verstaan aantal links. Op YouTube verschijnt het ene na het andere filmpje over hoe de LHC de wereld zal vernietigen en de eerste rechtzaken met als inzet het niet aanzetten van de LHC zijn al aangespannen.

Persoonlijk maak ik me niet zoveel zorgen. Het dikke en technische (hoe kan het ook anders) safety rapport vind ik overtuigend. Maar hoe maak je dat aan het mensen duidelijk die via websites geld verzamelen voor zoveel mogelijk vertragende processen tegen CERN? Aangezien ik deze negatieve aandacht zie als bijproduct van de positieve aandacht, ben ik er toch maar blij mee.

VOORUITBLIK

Op 10 september wordt de LHC aangezet. Voor de ontdekking van het Higgs boson zet ik mijn gok op 2010. Maar gezien de interessante fysica die er op de TeV-schaal te verwachten is, raad ik niet aan om CERN tot dat moment uit het oog te verliezen.

We kunnen blij en trots zijn dat Nederland in dit alles mee voorop loopt. Met onze uitstekende traditie in de sterrenkunde en het nationaal topinstituut NIKHEF in deeltjesfysica doen we mee met de wereldtop. De wetenschappelijk directeur van CERN is de aanstaande NWO voorzitter en het NIKHEF is bij drie van de vier grote LHC-experimenten betrokken.

De komende paar jaar kan er op elk moment een fundamentele doorbraak in natuurkunde bereikt worden. Er kunnen stappen worden gezet in ons begrip van het universum op de kleinste schaal die ons naar een nieuw tijdperk brengen. Met de parallelle ontwikkeling van de kosmologie, de observaties van de kosmische achtergrondstraling en de ontwikkeling van de astrodeeltjesfysica is een nieuw tijdperk in de natuurwetenschap aanstaande. Hou het in de gaten!


«
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief
ScienceGuide is bij wet verplicht je toestemming te vragen voor het gebruik van cookies.
Lees hier over ons cookiebeleid en klik op OK om akkoord te gaan
OK