Een nieuw tijdperk
Sander Breur vertrok naar CERN om te onderzoeken hoe het staat met deeltjesfysica na de Nobelprijs voor Higgs en waar de natuurkunde zich in de komende twintig jaar naartoe beweegt. Na een gesprek met oud CERN-directeur en NWO-voorzitter Jos Engelen vertrok Sander naar Zwitserland.
Eerder ontdekte Sander dat de toekomst van de deeltjesfysica misschien niet bij CERN maar in Japan ligt. Maar welk onderzoek zal er de komende decennia gedaan worden? En wat voor mensen werken mee aan dit baanbrekende onderzoek, dat al meerdere Nobelprijzen opleverde?
De kick van het begrijpen
“Sinds mijn kinderjaren ben ik al erg geïnteresseerd in hoe de natuur werkt. Toen ik op mijn vijftiende mijn geboorteland Kenia verliet voor Groot-Brittannië kreeg ik een erg goede natuurkundeleraar. Hij heeft mijn nieuwsgierigheid aangewakkerd,” vertelt Tejinder Verdee, wetenschapper aan CERN die zich intensief bezig houdt met Higgs-bosons.
“Mijn natuurkundeleraar moedigde ons aan om naar de wetenschapsmusea te gaan. Het gaf een enorme kick om die ingewikkelde dingen daar te begrijpen, zelfs als ze honderden jaren geleden hadden plaatsgevonden. Vanaf dat moment werd ik steeds enthousiaster over de natuurkunde en ben ik uiteindelijk hier terecht gekomen”, verteld Verdee aan natuurkundepromovendus en oud studentenleider Sander Breur. “Het voelt zo goed als je iets heel ingewikkelds ineens begrijpt.”
Tweeduizend triljoen foto’s
Tejinder Verdee houdt zich nog steeds bezig met zeer complexe fysica. Hij is een van de wetenschappers die vanaf het begin betrokken zijn bij CERN’s Compact Muon Spectrometer onderzoek. Dit onderzoek richt zich op een variëteit aan revolutionaire natuurkunde. De zoektocht naar de Higgs-boson valt er onder, evenals de zoektocht naar extra dimensies en deeltjes die samen donkere materie vormen.
Verdee loopt al een tijd mee in de deeltjesfysica en heeft de natuurkunde een enorme ontwikkeling zien doormaken. Tijdens de eerste decennia van het deeltjesonderzoek waren quarks puur een mathematische werkelijkheid. “Op een gegeven moment hadden we een foto gemaakt tijdens een experiment en de enige verklaring voor die foto waren quarks,” vertelt Verdee. Uiteindelijk erkende men het bestaan van deze deeltjes waarin eerst maar weinigen geloofden.
Vanaf dat moment werd het snel complexer. De horizon van de wetenschap verlegde zich snel, deze keer naar de legendarische Higgs-boson. “Bij de Higgs-boson hadden we niet één, maar tweeduizend triljoen foto’s waar we naar moesten kijken. Daarnaast hadden we ook duizend monsters waarin we uiteindelijk het Higgs-deeltje vonden. Dit illustreert de enorme stappen die de deeltjesfysica in de tussenliggende jaren gemaakt heeft,” aldus Verdee.
Sluitsteen van deeltjeswetenschap
“De wetenschappelijke wereld wilde in 1964 niet graag aan de Higgs-boson, het was een rekenhulp om massa te verklaren, veel wetenschappers geloofden niet dat het écht bestond. De enige mogelijkheid was dat als het hele universum ermee gevuld was, het zogenaamde Higgs-field. Als zo’n veld niet zou bestaan zouden deeltjes elkaar niet genoeg aantrekken en vrij door het universum zweven.”
“Tom Kibble publiceerde in 1967 een artikel waarin de eerste ideeën stonden dat een deeltje massa kan hebben en anderen die massaloos zijn. Kibble is de eerste die massa geeft aan bosons. Die inkling gaf de aanzet tot het idee dat er een zwaar, neutraal fotonachtig deeltje was. Een extra deeltje. Daar begon de jacht naar deze bijzondere boson,” vertelt Verdee. Peter Higgs die dit jaar de Nobelprijs won samen met François Englert was de eerste die de Higgs-boson precies beschreef.
In de jaren daarna werden steeds meer quarks ontdekt, maar er miste nog iets essentieels. “De Higgs-boson is de sluitsteen van het standaardmodel van de deeltjeswetenschap. We wisten toen dat we op zoek moesten naar het Higgs-deeltje, we wisten alleen niet hoe zwaar het was. We realiseerden ons direct dat het geen eenvoudige zoektocht zou worden.”
Einde van het Newton-tijdperk
“Toen we begin jaren negentig het experiment om de Higgs-boson te vinden opzetten, hadden we nog een probleem. We wisten dat we ‘andere natuurkunde’ nodig zouden hebben om de Higgs-boson te vinden. Wat die ‘andere natuurkunde’ precies inhoudt en hoe die werkt, is een van de belangrijkste vragen van de komende jaren. Wat is er nog meer, waar we niet eens het bestaan van vermoeden?”
Geen mogelijkheid, hoe vreemd ook, mag in deze zoektocht genegeerd worden.
“We proberen te ontdekken wat de natuur heeft gedaan, niet wat wíj denken dat de natuur heeft gedaan. Daarom is het zo geweldig om een experimentele natuurkundige te zijn in deze tijd. Je hebt geen idee welke route of welke ideeën je moet volgen.”
“De route is zo onbekend, dat we op een bepaalde manier afscheid moeten nemen van de natuurkunde die bij Newton begon. Alleen de experimenten zullen ons kunnen leren hoe het zit. Het is metafysica geworden. Je kunt zoveel nadenken als je wilt, maar deze natuurkunde verklaard niet meer hoe de natuur in elkaar zit. De enige manier om verder te komen is door deze experimenten.”
De Higgsfabriek
“We moeten de komende jaren proberen de Higgs-boson te begrijpen, met al zijn eigenschappen. En dat is erg lastig, we weten er op dit moment nog maar zo weinig van. Maar hopelijk verandert dat snel. Om je een idee te geven, sinds de experimenten begonnen zijn hebben we pas 700.000 Higgs-bosons gecreëerd. Met het programma dat nu op tafel ligt zullen we er honderd miljoen kunnen maken. Het wordt een soort Higgs-fabriek”
Hoewel de term ‘Higgsfabriek’ omstreden is, vindt Verdee het een zeer bruikbare metafoor voor waar de wetenschap nu behoefte aan heeft. “Zo werkt het in de wetenschap altijd, je doet een ontdekking en vanaf dat moment probeer je alles over die ontdekking te weten te komen. We weten er nog erg weinig van, daarom noemen we het ook niet ‘de Higgs-boson’ maar ‘een Higgs-boson’.
Vijf Higgs-bosons?
“Het supersymmetriemodel voorspelt vijf Higgs-bosons. Een van de vijf Higgs-bosons lijkt een klein beetje af te wijken van het standaardmodel van de deeltjesfysica, maar we weten niet of dat echt zo is, en op welke manier. Pas als we dat weten, kunnen we ons vervolgonderzoek ontwerpen.”
“Als we weten hoe deze bosons afwijken van het standaardmodel, dan weten we pas hoe we ons onderzoek naar deze ‘nieuwe natuurkunde’ moeten inrichten. We staan echt nog pas aan het begin van het onderzoek naar Higgs-deeltjes. We hebben nu enorme hoeveelheden bosons nodig om ons onderzoek statistisch te kunnen onderbouwen,” zegt Verdee die niet kan wachten tot de experimenten weer beginnen. “Ik zei het al eerder, maar het zijn écht geweldige tijden voor de experimentele natuurkunde!”
