Download - Donkere_materie___superdeeltjes
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
1/52
DOSSIERS
FYSICI OP ZOEK NAAR EEN
THEORIE VAN ALLES
Donkere materie &
superdeeltjes
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
2/52
Om te begrijpen hoe de kosmos in elkaar
zit, kijken wetenschappers niet alleen
ver weg de ruimte in. Ze bestuderen ook
de allerkleinste deeltjes. Kosmologen
krijgen de hulp van deeltjesfysici om de
grote kosmologische vragen te beant-
woorden en om mysterieuze fenomenen
zoals donkere materie te kunnen verkla-
ren.
De Large Hadron Collider(LHC) is een
gigantische deeltjesversneller, de groot-
ste ter wereld, waarmee fysici deeltjes
kunnen bestuderen en ontdekken. De
versneller bevindt zich in een cirkelvor-
mige tunnel van maar liefst 27 kilometer
lang, 150 meter onder de grond bij de
Zwitserse stad Genve.
Een cruciaal deeltje is het Higgsbo-
son, dat vijftig jaar geleden door onder
andere de Belgen Franois Englert en
de in 2011 overleden Robert Brout werd
voorspeld. In 2012 werd het deeltje ook
daadwerkelijk ontdekt, en een jaar later
ontving Englert de Nobelprijs Fysica.
Nu de euforie over de ontdekking van het
higgsdeeltje is geluwd, stijgt de span-
ning opnieuw in het Europees Centrum
voor Kernonderzoek (CERN) in Genve.
Na een pauze start in 2015 de deel-
tjesversneller opnieuw op en begint de
zoektocht naar onder meer donkerematerie en superdeeltjes, en de ont-
brekende puzzelstukken in een theorie
die alle natuurkundige fenomenen kan
verklaren.
Al decennialang werken fysici aan een
prachtige theorie die ons een diepgaan-
der inzicht in de kwantumwereld be-
looft. Vandaag staan ze voor een twee-
spalt: bewijzen dat de theorie juist is, of
geconfronteerd worden met een histori-
sche ommekeer in de paradigmas.
IN HET KORT
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
3/52
DEELTJESVERSNELLER
NIEUWE ZOEKTOCHT
ONTWAAKT
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
4/52
Voor elke deeltjesfysicus zal het jaar 2012 in het geheu-
gen gegrift blijven als het jaar van de ontdekking van
het higgsdeeltje. De ATLAS- en CMS-experimenten aan de
deeltjesversneller hebben hiervoor een huzarenstukje uitge-
voerd. We hebben protonen laten botsen bij enorme energie-
en en deze botsingen zo nauwkeurig opgemeten dat we uit de
immense hoeveelheid gegevens enkele gebeurtenissen kon-
den filteren die duidden op het bestaan van een nieuw deeltje.
Na grondige studies hebben we in 2013 kunnen aantonen dat
het inderdaad om het higgsdeeltje ging, waarvan Franois En-
glert, Robert Brout en Peter Higgs in de jaren 1960 het be-
staan voorspelden. Het was het sluitstuk voor het standaard-
model van de deeltjesfysica.
Het was een fantastische mijlpaal, maar niet het einde van het
wetenschappelijk programma met de Large Hadron Collider
(LHC). We plannen de structuur van de materie nog dieper
te bestuderen en hopen nieuwe kennis te verzamelen in een
energiegebied waar we nog nooit experimenten gedaan heb-
ben.
Botsingskoorts
Bijgevolg stijgt de spanning alweer op het CERN. Na enkele
jaren van technologische aanpassingen aan de instrumenten
zullen we in maart klaar zijn om voor het eerst bundels proto-
nen te versnellen tot 6,5 Tera elektronvolt (TeV). We verwach-
ten om al in mei dit jaar deze bundels met elkaar in botsing te
brengen, om een botsingsenergie van twee maal 6,5 TeV of 13
TeV te bekomen. Ter vergelijking: we hebben het higgsdeeltje
ontdekt in botsingen van 8 TeV. We zullen dit record dus sterk
verbeteren.
Een grotere energie van de deeltjesbundels vraagt ook sterkere
magnetische velden om de deeltjes in de versneller op hun cir-
kelvormige traject te houden, 27 kilometer lang en tientallen
meters onder de grond. Daarvoor hebben we dan weer grotere
elektrische stromen nodig in de supergeleidende kabels van
de magneten die we tot 1,9 graden Kelvin koelen. Als we op
een veilige manier de stroom willen opdrijven tot 11.000 am-
pre, moeten we alle mogelijke verbindingen van die kabels
grondig controleren. Het is maar een van de vele zaken die
de voorbije twee jaar is gebeurd. Dergelijke wetenschappelijke
instrumenten zijn steeds hun eigen prototype. Hetzelfde toe-
stel wordt gebruikt voor zowel de testen, de effectieve metin-
gen en is tegelijk het laatste van zijn serie.
In de protonbotsingen creren we interacties tussen deeltjes
net zoals die er waren een fractie van een seconde na de Oer-
knal, zo ongeveer 0,0000000000001 seconden na de oer-
knal. De stap van 8 naar 13 TeV-botsingen laat ons toe om
nog wat dichter te gaan bij de oerknal om er nog een nul na
de komma bij te zetten. We proberen uit te zoeken of er toen
onbekende fenomenen waren die na het afkoelen van het uni-
versum niet meer zichtbaar zijn. Dergelijke nieuwe inzichtenzullen ons op weg helpen naar een Theory of Everything, de
droom van Einstein, en recent ook de titel van een film over
theoretisch fysicus Stephen Hawking. De droom om alle fun-
damentele interacties van zwaartekracht tot kwantumfysica te
beschrijven in eenzelfde formule leeft ook vandaag nog.
Van experiment naar theorie, en terug
Elke theorie is een creatie van de mens om vanuit bepaalde
principes de fenomenen in de natuur te modelleren. Een expe-
rimenteel resultaat is daartegenover een wetenschappelijk feit
waaraan elke modellering van de natuur moet voldoen. Aan
de ene theorie kan men meer geloof hechten dan aan een an-
dere, bijvoorbeeld omdat ze nauwkeuriger overeenkomt met
Nu de euforie over de ontdekking vanhet higgsdeeltje is geluwd, stijgt despanning opnieuw in het Europees
Centrum voor Kernonderzoek (CERN) inGenve. Na een pauze start in maart dedeeltjesversneller opnieuw op en begintde zoektocht naar onder meer donkere
materie en superdeeltjes.Jorgen DHondt
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
5/52
de experimentele bevindingen en/of omdat de onderliggende
principes van de theorie eenvoudiger zijn. De kracht van een
experimenteel resultaat zit in de nauwkeurigheid of precisie
van het resultaat. De symbiose van beide onderzoeksdomei-
nen is net de plaats waar wij als onderzoekers de puzzelstuk-
jes samen leggen en tot nieuwe inzichten komen. Momenteel
staat onze boekenkast vol met verschillende theorien. De
volgende jaren zullen we met de LHC een reeks unieke expe-
rimentele resultaten bekomen die waarschijnlijk een deel van
de theorien in die boeken zullen weerleggen, en misschien
vinden we wel fenomenen waarover we nieuwe boeken moe-
ten schrijven.
Vele van de theoretische boeken in onze kast staan vol met
supersymmetrische modellen. Dat zijn modellen waar elk
deeltje in het standaardmodel een supersymmetrisch spie-gelbeeld heeft. Met sommige van deze superdeeltjes kunnen
we mogelijk het mysterie van donkere materie oplossen een
hypothetisch soort materie waaruit 27 procent van het heelal
zou bestaan. En een supersymmetrische uitbreiding van het
standaardmodel zou de theorie wiskundig eleganter en con-
sistenter maken.
Tot nu toe hebben we nog geen superdeeltjes gevonden, maar
de heropstart betekent een belangrijke stap in deze zoektocht.
Als we de komende jaren geen aanwijzingen vinden voor
het bestaan van die supersymmetrische fenomenen, moet ik
waarschijnlijk plaats maken in mijn boekenkast voor nieuwe
theorien.
De juistheid testen van een mogelijke Theory of Everything
ligt nog niet binnen de vooruitzichten, maar met de komende
botsingen bij een energie van 13 TeV zullen we uiteraard de
juistheid van het standaardmodel verder testen, en de eigen-
schappen van het higgsdeeltje nauwkeuriger opmeten. Het
higgsdeeltje moet volgens het standaardmodel interageren
met alle massieve deeltjes. We hebben nog geen direct bewijs
voor de koppeling van higgsdeeltjes aan topquarks, de zwaar-
ste elementaire deeltjes die we vandaag kennen. In de nieuwe
botsingen zullen we deze processen zoeken en nauwkeurig
opmeten. Dat is een enorme uitdaging, want hiervoor zullen
onze verschillende detectoren en alle zelf ontworpen algorit-
men om de botsingen te reconstrueren optimaal moeten func-
tioneren.
Experimentele uitdagingenEen essentile uitdaging is het ontwikkelen van de juiste
trigger-algoritmen. We voorzien een botsingsfrequentie tus-
sen de protonpakketten van 40 miljoen gebeurtenissen per
seconde, met in elke gebeurtenis tientallen protonbotsingen
tegelijk. Hieruit komen honderden deeltjes die we allemaal
tegelijk met onze detectoren moeten opmeten. De CMS-de-
tector heeft ongeveer 100 miljoen individuele cellen waar we
deeltjes mee observeren, zoiets als een fototoestel met 100
megapixels. Maar dan wel een fototoestel dat 40 miljoen fo-
tos per seconde moet nemen. Onze toestellen kunnen slechts
n gebeurtenis per 100.000 selecteren en op harde schijf
bewaren voor verdere analyse. Dat zorgt al voor enkele hon-
derden megabytes aan informatie per seconde. Kiezen welke
Proton-
protonbotsing
zoals opgemeten
door het CMS-
experiment.
Vier hoog
-energetische
elektronen zijn
zichtbaar (groene
lijnen in de
spoordetector en
rode blokken in de
calorimeter).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
6/52
gebeurtenis er wordt opgeslagen, moet op 0,000001 seconde
tijd gebeuren, via selectie-algoritmen. Het ontwerpen van de
juiste algoritmen is dus van cruciaal belang. Want als de ver-
keerde botsingen op harde schijf terechtkomen, zullen onze
analyses niet veel ontdekken.Zelf hoop ik vooral dat we het mysterie van donkere materie
kunnen ontrafelen. We weten dat er ongeveer vijf keer meer
donkere materie in ons universum zit dan materie die we met
quarks en leptonen kunnen beschrijven. Vandaag hebben we
bijzonder veel theoretische ideen over wat die donkere ma-
terie kan zijn, maar experimenteel hebben we geen sluitend
bewijs. Als we de natuur juist inschatten, hebben we in de
komende jaren de mogelijkheid om met de deeltjesversneller
donkeremateriedeeltjes te produceren, en met de CMS-detec-
tor te bestuderen. Maar we weten uiteraard niet of de natuur
haar geheimen zal prijsgeven.
Plannen voor de toekomst
De LHC-projecten van het CERN overspannen decennia. In
1991 lagen de eerste tekeningen van het CMS-experiment
op tafel, terwijl de eerste botsingen tussen protonen pas in
2009 opgemeten werden. Na de ontdekking van het higgs-
deeltje hebben we de koppen bij elkaar gestoken en beslist
om de LHC de komende decennia ten volle te gebruiken voor
het onderzoek in de deeltjesfysica. Zo zijn er vandaag al heel
concrete plannen om onze experimenten zo aan te passen dat
we vanaf het jaar 2024 jaarlijks evenveel botsingen zullen
verzamelen als alle jaren tussen 2011 en 2021 samen. Dat
willen we volhouden tot 2035. Ook hiermee zullen we uniekewetenschappelijke inzichten verkrijgen, maar we moeten nu
al de technologische uitdagingen aangaan om dit mogelijk te
maken.
Maar eerst staan we voor de heropstart van 2015. Duizenden
wetenschappers ontwikkelen testen hun methodes om zo
snel mogelijk de eerste botsingsdata te analyseren. Het is een
uitdaging om al die ambitieuze en enthousiaste onderzoekers
optimaal te laten samenwerken. Dat gebeurt zowel met grote
fysieke bijeenkomsten als met honderd wekelijkse vergade-
ringen via videoconferentie. Zo kunnen collegas uit de hele
wereld toegewijd samenwerken.
Als voorzitter van de Raad van Bestuur van het CMS experi-
ment met 185 universiteiten of onderzoeksinstellingen uit 43
landen, kijk ik samen met duizenden van mijn collegas uit
naar alweer een buitengewoon interessant hoofdstuk in de
ontdekking van de natuur op de kleinste schaal.
Jorgen DHondt is hoogleraar deeltjesfysica aan de Vrije
Universiteit Brussel en voorzitter van de Raad van Bestuur
van het CMS-experiment aan het CERN.
Ingenieurs
controleerden de
afgelopen twee
jaar elk stukje van
de 27 kilometer
lange versneller.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
7/52
INGREDINTENVAN HET UNIVERSUM
INLEIDING TOT DE KOSMOS
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
8/52
Om te begrijpen hoe de kosmos in elkaarzit, kijken wetenschappers niet alleen
ver weg de ruimte in. Ze bestuderen ookde allerkleinste deeltjes. Kosmologenkrijgen de hulp van deeltjesfysici omde grote kosmologische vragen tebeantwoorden en om mysterieuze
fenomenen zoals donkere materie tekunnen verklaren.
Pierre Van Mechelen
Alle eigenschappen van materie zijn een gevolg van de
eigenschappen van de samenstellende deeltjes. De
wetenschap van het allergrootste, sterren en sterrenstelsels,
is daarom erg nauw verbonden met de wetenschap van het
allerkleinste. De creatie van minuscule deeltjes en de inter-
acties tussen hen, bepaalden wat er zich afspeelde vlak na
de oerknal.
Twaalf elementaire deeltjes zijn de bouwstenen van het
heelal. Vier fundamentele krachten houden de boel samen.
Alle kennis daarover wordt samengevat in het standaard-
model van de deeltjesfysica dat de fundamentele deeltjes en
hun interacties beschrijft. Het model werd in de jaren 70
opgesteld en voorspelde ook het bestaan van toen nog on-
bekende deeltjes, die inmiddels bijna allemaal zijn ontdekt.
Een overzichtje.
materie atoom elektronproton quarks
kern neutron
Elementaire deeltjes
Een elementair deeltje is een deeltje dat niet verder kan
worden opgesplist in kleinere deeltjes. De opvattingen
over wat nu precies een elementair deeltje is, zijn in de
loop van de geschiedenis een paar keer veranderd. Tot be-
gin 20ste eeuw dachten wetenschappers dat atomen ele-
mentaire deeltjes waren. Atoom is dan ook afgeleid van
het Griekse atomos, wat ondeelbaar betekend. Maar in
1911 ontdekte Ernest Rutherford dat het atoom samen-
gesteld was. Pas in de jaren 1960 werd ontdekt dat proto-
nen en neutronen geen elementaire deeltjes zijn maar uit
quarks bestaan. Misschien komen wetenschappers er in
de toekomst nog achter dat ook die nog uit andere deel-
tjes zijn samengesteld.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
9/52
Materiedeeltjes
Materie bestaat uit atomen. Atomen bestaan uit een kern
van protonen en neutronen waarrond elektronen bewegen.
Maar daar stopt het verhaal niet. Zowel protonen als neu-
tronen zijn opgebouwd uit quarks, de bouwstenen vande elementaire deeltjes, zeg maar. Er bestaan zes soorten
quarks die worden ingedeeld in drie families of drie genera-
ties. Het verschil tussen de drie generaties zit hem enkel in
de massa van de deeltjes. In de eerste generatie vinden we
de up- en down-quarks, in de tweede generatie de charme-
en strange-quarks en in de derde de top- en bottom-quarks.
De top-quark uit de derde generatie is 58.000 tot 116.000
keer zwaarder dan de up-quark uit de eerste generatie.
Van elke quark bestaan er drie vormen, die worden aange-
duid met de kleuren rood, groen en blauw. Dat zijn niet de
werkelijke kleuren van de quarks. Het is gewoon een over-
eenkomst onder deeltjesfysici om de verschillende quarks
te kunnen onderscheiden. In werkelijkheid zijn de kleuren
van quarks te vergelijken met de lading van elektronen en
protonen.
Naast de quarks zijn er de leptonen. Ook hiervan zijn er zes
soorten, die net zoals de quarks volgens gewicht in de drie
generaties worden onderverdeeld. Zo vinden we het elek-
tron en het elektron-neutrino in de eerste, het muon en het
muon-neutrino in de tweede en het tau en tau-neutrino in
de derde generatie. Het elekron, muon en tau hebben zowel
een massa als een elektrische lading. Hun neutrino-tegen-
hangers zijn ongeladen en hebben amper massa.
Gewone zichtbare materie bestaat uit deeltjes uit de eer-
ste generatie: up-quarks, down-quarks en elektronen. Een
proton bestaat uit twee up-quarks en een down-quark, een
neutron uit een up-quark en twee down-quarks. Elektron-
neutrinos komen enkel vrij bij radioactief verval en kern-
fusie.
Zwaardere quarks en leptonen komen niet voor in gewone
materie omdat ze onstabiel zijn waardoor hen geen lang
leven beschoren is. Ze vallen al snel uiteen in lichtere va-
rianten. Dat zorgt meteen voor enkele lastige vragen. Als
de deeltjes uit hogere generaties zo onstabiel zijn, waarom
bestaan ze dan? Waarom zijn er verschillende generaties
deeltjes, en waarom precies drie? Voorlopig moeten de we-
tenschappers het antwoord schuldig blijven.
Krachtvoerende deeltjes
In de kosmos zijn vier fundamentele krachten werkzaam: de
sterke en zwakke kernkracht, de elektromagnetische kracht
en de zwaartekracht. De sterke kernkracht houdt atoomker-
nen samen. De zwakke kernkracht is verantwoordelijk voor
bepaalde vormen van radioactief verval. Zowel de sterke als
de zwakke kernkracht hebben op ons geen directe invloed
want beide werken enkel op het niveau van atomen. De
elektromagnetische kracht werkt tussen elektrisch geladen
deeltjes. Gelijke ladingen stoten elkaar af en verschillende
ladingen trekken elkaar aan, zoals negatief geladen elek-
tronen en positief geladen atoomkernen. Van alle krachten
is de zwaartekracht de zwakste, zelfs nog zwakker dan de
zwakke kernkracht. Ze werkt echter wel over veel grotere af-
standen.
Alle krachten zijn eigenlijk het gevolg van de uitwisseling
van deeltjes die wetenschappers bosonen of krachtvoeren-
de deeltjes noemen. Je kunt dat proces vergelijken met twee
schaatsers die een bal naar elkaar gooien en door de terug-
slag in beweging komen. Elke kracht heeft zijn eigen boson.
De sterke kernkracht werkt dankzij het gluon, de zwakke
kernkracht dankzij W- en Z-bosonen en de elektromag-
netische kracht gebruikt het foton. Fotonen zijn de enige
krachtvoerende deeltjes die we zonder veel problemen kun-
nen waarnemen want ook licht is eruit opgebouwd. Zwaar-
tekracht wordt volgens het standaardmodel veroorzaakt
door het graviton, maar het bestaan van dat deeltje kon nog
niet worden aangetoond. Dat is meteen de grote zwakte van
het standaardmodel: het kan voorlopig enkel gissen naar de
oorzaak van de zwaartekracht. De werking van de zwaarte-
Het standaardmodel van de deeltjesfysica
Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een beschrijving hoe de wereld van
de kleinste bouwstenen van de materie eruitziet. In het schema vinden we boven-
aan de materiedeeltjes, onder andere de bestanddelen van atomen, in het middende deeltjes die zorgen voor het uitwisselen van de krachten zoals de elektromag-
netische, de zwakke en de sterke kracht, en ten slotte onderaan het higgsdeeltje.
De lijnen geven weer wat met wat kan interageren volgens het standaardmodel.
Hoewel al deze deeltjes al ontdekt zijn, hebben we nog geen bewijzen voor som-
mige van de interactielijnen.
sterke kernkracht
elektro-
magnetische kracht
zwakke kernkracht
zwaartekracht
Vier
basiskrachten zijn
verantwoordelijk
voor alle
wisselwerkingen
in het heelal.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
10/52
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
11/52
kracht op de schaal van de fundamentele deeltjes is echter
verwaarloosbaar klein.
1+1=0
Alles wat we rondom ons zien is opgebouwd uit materie.
In 1932 ontdekten wetenschappers echter een merkwaar-
dig deeltje: het leek op een elektron maar was positief gela-
den. Dit anti-elektron werd positron gedoopt. Inmiddels
is gebleken dat niet alleen elektronen maar ook alle andere
deeltjes over een antideeltje beschikken. Zo bestaan er ook
antiquarks en antineutrinos. Een antideeltje kan je verge-
lijken met je spiegelbeeld. Als je in de spiegel kijkt, worden
enkel links en rechts omgewisseld. Ook tussen een deeltje
en zijn antideeltje is er een symmetrierelatie. Hun massa is
gelijk maar ondere andere hun lading - zowel de elektrische
lading van elektronen en protonen als de kleurlading van
quarks - is bij het antideeltjes tegengesteld.Deeltjes en antideeltjes zijn niet meteen de beste vrienden.
Als ze elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar in een pro-
ces dat annihilatie wordt genoemd. Daarbij komt een gi-
gantische hoeveelheid energie vrij. Gelukkig vinden we in
het heelal amper antimaterie. Maar hoe komt dat eigenlijk?
Kosmologen gaan er immers van uit dat bij de oerknal even-
veel materie als antimaterie ontstond. Dat proces is te ver-
gelijken met het drukken van muntstukken uit heet metaal.
Als een muntstuk wordt gedrukt, blijft in het vloeibare, hete
metaal een gaatje achter, een antimunt als het ware. Vlak
na de oerknal ontstond onder extreem hoge temperaturen
voor elk materiedeeltje een antimateriedeeltje uit energie.
Dankzij de theorien van Einstein weten we dat het kan
want energie is gelijk aan massa of E = mc2.
De materie en antimaterie hadden elkaar dus kunnen ver-
nietigen en dan hadden wij hier nu niet rondgelopen. Geluk-
kig ontstond er een overschot aan materie, maar kosmolo-
gen zijn er nog niet uit hoe dat precies gebeurde. Blijkbaargedragen materie en antimaterie zich niet volledig hetzelf-
Het grootste en het kleinste
Onze inzichten over het immens kleine zijn
verbonden met die over het immens grote in
ons universum.
Zonder hulpmiddelen kunnen we ongeveer
een kilometer ver kijken en in de andere
richting kunnen we een voorwerp van een
millimeter groot onderscheiden met het
blote oog. Telescopen en microscopen laten
ons toe om uit en in te zoomen. De mo-
dernere versies hiervan zijn respectievelijk
satellietexperimenten (recente resultaten
van de Hubbletelescoop en de Planckmis-
sie van het Europese ruimtevaartagent-
schap ESA) en krachtige deeltjesversnellers
(met de LHC als paradepaardje). Een quark
zoeken in een atoom, is net zo moeilijk als
een rijstkorrel zoeken in het volume van de
aarde. - JD
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
12/52
de. Reacties tussen elementaire deeltjes verlopen in som-
mige gevallen net iets anders voor antimaterie. Daardoor
ontstond net iets meer materie. Het scheelde geen haartje of
er was van ons geen sprake geweest: voor elke 300.000.000
antiquarks ontstonden 300.000.001 quarks! Volgens som-mige kosmologen zijn die getallen zelfs nog veel groter. Kort
na de oerknal was de temperatuur te ver gedaald om nog
vorming van materie en antimaterieparen toe te laten, enkel
het beetje extra materie bleef over en daar moeten we het tot
op vandaag mee doen.
Een presentatie in 1959 van de eerste resultaten van
deeltjesbotsingen in de synchrotron, die vandaag nog steeds
gebruikt wordt bij experimenten aan het CERN.
Meer recente visualisaties van vergelijkbare
deeltjesbotsingen. Fysici hopen in deze resultaten nieuwedeeltjes te ontdekken en fenomenen beter te begrijpen.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
13/52
Het standaardmodel van de deeltjesfysica
Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een beschrijving hoe de wereld van
de kleinste bouwstenen van de materie eruitziet. In het schema vinden we boven-
aan de materiedeeltjes, onder andere de bestanddelen van atomen, in het middende deeltjes die zorgen voor het uitwisselen van de krachten zoals de elektromag-
netische, de zwakke en de sterke kracht, en ten slotte onderaan het higgsdeeltje.
De lijnen geven weer wat met wat kan interageren volgens het standaardmodel.
Hoewel al deze deeltjes al ontdekt zijn, hebben we nog geen bewijzen voor som-
mige van de interactielijnen.
Antimaterie in CERN
De wereld om ons heen is opgebouwd uit het restje materie dat
ontstond vlak na de oerknal. Antimateriedeeltjes zijn in zon
vijandige omgeving geen lang leven beschoren want ze zou-
den al snel botsen met een materiedeeltje en verdwijnen. En-kel onder speciale omstandigheden blijven antimateriedeeltjes
bestaan. Uit de grote hoeveelheid energie in deeltjesvernellers
ontstaan spontaan nieuwe deeltjes samen met hun antideel-
tjes. De antideeltjes worden door magneten uit de soep gevist
en afgezonderd. In die eerste fase is de energie van de antideel-
tjes veel te hoog. Daarom worden ze naar een speciaal toestel
geleid de antiprotonenvertrager die hun snelheid doet af-
nemen. Pas dan kunnen ze worden bestudeerd en kunnen hun
eigenschappen worden vergeleken met die van gewone deel-
tjes. Fysici proberen om met de vertraagde antideeltjes heuse
antiatomen te creren en te bestuderen hoe die zich gedragen.
Ze zijn er al in geslaagd om de tegenhanger van het eenvoudig-
ste atoom te produceren, een antiwaterstofatoom.
Het belang van massa
Een aantal elementaire deeltjes hebben geen massa, an-
dere wel en dat is een erg belangrijke eigenschap. Mas-
saloze deeltjes hebben namelijk een vervelend kenmerk:
ze verplaatsen zich voortdurend met de snelheid van het
licht. Als er geen massa zou zijn en alle deeltjes razendsnel
door het heelal zouden vliegen, zouden ze nooit met el-
kaar binden. Er zouden geen atomen ontstaan, geen mo-
leculen en geen leven!
Antideeltjes in je lichaam
Antimaterie heeft een aantal erg nuttige toepas-
singen. Positronen worden bijvoorbeeld gebruikt
in de geneeskunde o.a. om tumoren op te sporenof om de werking van de hersenen te onderzoe-
ken met een PET-scanner. PET staat voor Positron
Emissie Tomografie. De patint krijgt daarbij een
erg lage dosis radioactieve vloeistof ingespoten.
Bij het radioactieve verval van die stof komen po-
sitronen vrij die reageren met de elektronen in ons
lichaam. Bij die annihilatiereactie komt straling vrij
die kan worden gedetecteerd. Als sommige cellen,
zoals tumorcellen, actiever zijn dan andere, dan
nemen ze meer van de radioactieve stof op. Die
verschillen in opname en dus in straling kunnen op
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
14/52
LARGEHADRONCOLLIDER
HOE WERKT DE DEELTJESVERSNELLER?
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
15/52
De Large Hadron Collider (LHC) is de grootste deeltjes-
versneller ter wereld. Het toestel vult een maar liefst
27 kilometer lange cirkelvormige tunnel 150 meter onder
de grond bij de Zwitserse stad Genve. In de versneller be-
wegen twee protonenbundels in tegenovergestelde richting
aan een snelheid net onder die van het licht elke seconde
gaan ze 11.245 keer rond de tunnel - om in een detector
met elkaar te botsen. De protonentrein die door de tunnel
raast, zou in normale omstandigheden altijd rechtdoor
gaan, maar wordt in de LHC door 1.624 supergeleidende
elektromagneten uit niobium-titanium in een cirkelvormige
baan gedwongen. We hebben het dan niet over de magneet-
jes die je tegen de koelkast kleeft maar over grote spoelen,
sommige tot 15 meter lang, waarrond elektrische kabels
zijn gedraaid.
Om supergeleidend te zijn, worden de elektromagneten met
behulp van meer dan 10.000 ton vloeibare stikstof en 60 ton
vloeibare helium gekoeld tot -271 graden Celsius, bijna de
koudste temperatuur in het universum. Hierdoor ondervindt
de elektrische stroom die erdoor loopt geen weerstand. Alleen
zo kan een voldoende sterk magnetisch veld worden opge-
wekt. Als protonen uit waterstofkernen in de tunnel worden
losgelaten, houden duizenden magneten de deeltjes op hun
plaats en leiden ze rond door de versneller. Dat gebeurt in een
vacum omgeving, om te vermijden dat de deeltjes zouden
botsen met deeltjes in de lucht.
De Large Hadron Collider is dekrachtigste deeltjesversneller ter wereld.Het toestel dient n missie: mysteries
over het universum oplossen.
Kim Verhaeghe
De Large
Hadron Collider
ligt in een 27
kilometer lange
tunnel, 150 meter
onder de Genve.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
16/52
aan het CERN waarnemen kunnen helpen om het universum
beter te begrijpen, en theorien zoals donkere materie, super-
symmetrie en antimaterie te toetsen.
Niet alleen de tunnel waarin de deeltjes rondracen is erg
groot. Huizenhoge detectoren zoals bijvoorbeeld de CMS-
detector moeten interessante deeltjes opsporen die bij de
Kan het niet wat kleiner?
Met cirkelvormige versnellers kunnen deeltjes het makkelijkst worden versneld.
Deeltjes kunnen miljoenen keren ronddraaien en na elk rondje een extra duw-
tje in de rug krijgen. Geladen deeltjes die worden afgebogen, zenden straling uit.Voor lichte deeltjes, zoals elektronen, moet de straal van de versneller groot ge-
noeg zijn om het energieverlies door die straling te verminderen. Om zwaardere
deeltjes zoals protonen in de juiste positie te houden, is een erg sterk magneet-
veld nodig en dus moeten de magneten groot zijn, al worden nieuwere magneten
steeds kleiner. Maar zelfs de sterkste magneten kunnen deeltjes maar een klein
beetje afbuigen en dus is een grote baan nodig.
Na elk rondje dat de protonen hebben gemaakt gaan ze snel-
ler en krijgen ze meer energie. In twee gescheiden buizen
circuleren twee deeltjesbundels tegelijk in tegengestelde rich-
ting. Na ongeveer honderd omwentelingen bereiken de deel-
tjes de gewenste energie, waarna ze klaar zijn om te botsen.Dat gebeurt op vier punten in de versneller, ongeveer elke 25
nanoseconden.
Botsingen uitlokken is niet zo eenvoudig want de deeltjes zijn
natuurlijk erg klein. Je zou het kunnen vergelijken met het af-
schieten van twee naalden op 10 kilometer van elkaar, zoda-
nig dat ze elkaar halverwege raken.
Tijdens botsingen tussen zware ionen geladen deeltjes
ontstaan voor een fractie van een seconde temperaturen die
100.000 keer heter zijn dan het binnenste van de zon. Bij de
botsing van de deeltjesbundels komt zoveel energie vrij dat
er spontaan nieuwe deeltjes ontstaan. Dat kunnen bekende
deeltjes zijn, maar ook nieuwe exotische exemplaren, zoals
het Brout-Englert-Higgsboson dat in 2012 werd bevestigd
en Brusselaar Franois Englert incontournable maakte voor
de Nobelprijs Fysica. De deeltjes en fenomenen die de fysici
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
17/52
botsingen vrijkomen. Het probleem daarbij is dat exotische
deeltjes erg onstabiel zijn en meteen weer verdwijnen. Maar
ze laten sporen na die de fysici moeten zien te herkennen. Als
een elektrisch geladen deeltje door een detector vliegt, zal het
elektronen uit de elektronenwolk rond atoomkernen wegkaat-
sen, en zo een een erg klein maar meetbaar elektrisch signaal
veroorzaken waaruit fysici de positie van het deeltje kunnen
afleiden. Zo kunnen ze de trajecten die de deeltjes volgen re-
construeren en op basis van die patronen de deeltjes identifi-
ceren.
Vanzelfsprekend krijgen het materiaal en de elektronica on-
der die extreme omstandigheden heel wat te verduren. De
technici gaven de deeltjesversneller daarom tussen 2013 en
2015 een onderhoudsbeurt. Duizenden onderdelen werden
getest en indien nodig vervangen. Er werden krachtigere elek-
tromagneten genstalleerd, waardoor deeltjes sneller en met
een hogere energie met elkaar kunnen botsen. Voor de onder-
houdsbeurt had elke protonenbundel een energie van 4 TeV
(teraelektronvolt), goed voor en botsingsenergie van 8 TeV. Na
de upgrade, werd dat 13 TeV. Dankzij die veel hogere energie
hopen de fysici nieuwe fysica te ontdekken, misschien zelfs
donkere materie te maken, maar wat het precies zal zijn, we-
ten zij net zo min als u en ik.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
18/52
60 JAAR
CERN
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
19/52
Op 29 september 1954 sloegen twaalfEuropese landen, waaronder Belgien Nederland, de handen in elkaar
om na de Tweede Wereldoorlog hetwetenschappelijk onderzoek in Europa
terug op te krikken en s wereldsgrootste laboratorium voor deeltjesfysica
te bouwen.
Op 17 mei 1954 ging de eerste spadesteek de grond in voor de bouw van de CERN-site in Zwitserland.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
20/52
Een magneetspoel voor de bouw van de synchrocyclotron,
de eerste deeltjesversneller van het CERN, komt aan in Genve (1955).
Ingenieurs en fysici zitten op een magneet bestemd voor de Large Hadron Collider.
De foto is genomen in het Natuurkundig Instituut in Genve, aangezien het CERN toen nog een modderige constructiesite was (1956).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
21/52
De bouwsite van het CERN in 1957.
Radioactieve metingen boven de Proton Synchrotron, de
oudste grote deeltjesversneller aan het CERN (1959).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
22/52
Een stapel van drie pannenkoeken bestemd voor de elektromagneet (1963).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
23/52
Gepolijste Cerenkov spiegels (1966).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
24/52
De tunnel waarin de Super Proton Synchrotron,
een 7 kilometer lange circulaire deeltjesversneller,
moet komen (1974).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
25/52
Graafwerken voor de tunnel waarin de large electron
positron (LEP)-versneller gebouwd zou worden. De constructie
van de cirkelvormige tunnel, met een omtrek van 27 kilometer,
begon in 1983. De versneller was actief tussen 1989 en 2000.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
26/52
Tim Berners-Lee demonstreert het World Wide Web, dat aan het CERN werd ontwikkeld, op een conferentie in 1991.
Op 10 september 2008 gaat een protonstraal voor het eerst rond in de 27 kilometer lange Large Hadron Collider (LHC).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
27/52
De vondst van het door Peter Higgs, Franois Englert en Robert Brout in 1964 voorspelde Higgs-boson was voor het CERN een historisch moment (2012).
In 2013 ging de Large Hadron Collider dicht voor onderhoudswerken, om in maart 2015 te heropenen.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
28/52
Er blijvennog heel veel
vragen open
THEORETISCH NATUURKUNDIGE FRANOIS ENGLERT
INTERVIEW
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
29/52
Op deze zonnige julimaandag ligt de campus van de
Universit Libre de Bruxelles er verlaten bij. Buiten
een zeldzame doctoraalstudent die het vertikt om op vakan-
tie te gaan of enkele studenten die het blokken voor hun
tweede zit even opschorten om verkoeling te zoeken op de
graspleintjes, is er niemand. Maar op de zevende verdieping
van het centrale torengebouw waarin de natuurkundigen en
wiskundigen kantoor houden, heerst een andere soort stilte.
Hier hangt de onontbeerlijke rust die een theoretisch na-
tuurkundige nodig heeft om over de vraagstukken van de
natuur en het universum na te kunnen denken. In een van
de kantoren zit Franois Englert. Ook vandaag laat hij zich
door de zomerhitte niet ontmoedigen om hier, zoals hij bij-
na dagelijks heeft gedaan sinds hij op emeritaat ging in
1998, te komen nadenken over de wetten die de natuur be-
schrijven, en vooral: hoe deze wetten met elkaar te vereni-
gen in n omvattende, liefst zo elegant mogelijke theorie.
Toen de nu tachtigjarige Brusselaar in het begin van de jaren
60 van vorige eeuw de leerstoel theoretische natuurkunde
van de ULB aangeboden kreeg, stond de elementaire deel-
tjesfysica nog in de kinderschoenen. Er was toen nog niet
eens sprake van het zogeheten standaardmodel, het groteraamwerk van theorien waarin drie van de vier fundamen-
tele natuurkrachten (de zwaartekracht valt er nog steeds bui-
ten) met elkaar zijn vervlochten. Begin jaren 60 was er zelfs
nog geen sprake van een gecordineerde aanpak in de theo-
retische natuurkunde om tot dit standaardmodel te komen.
Maar in dat gouden decennium van de deeltjesfysica werd
een immense vooruitgang geboekt, niet in het minst door een
artikel dat Englert en zijn collega Robert Brout in de zomer van
1964 publiceerden. Daarin stelden Brout en Englert een nieuw
mechanisme voor dat massa zou geven aan alle materiedeel-
tjes, en dat een hoeksteen zou gaan vormen van het latere
bouwwerk van het standaardmodel. Nog geen twee maanden
later had de Britse theoreticus Peter Higgs het in hetzelfde vak-
tijdschrift over quasi hetzelfde mechanisme, maar hij stelde er
ook expliciet een nog te ontdekken deeltje in voor, een nieuw
soort boson. Mede daarom werd het theoretische deeltje in
de decennia daarna het higgsboson genoemd, en onder die
naam is het deze zomer ook wereldberoemd geworden.
Of hij zich er niet aan stoort, aan al dat Higgs-gedoe? Of hij
het fijn vindt dat iedereen het heeft over het higgsboson,
alsof Peter Higgs de eerste was die over het massagevende
mechanisme schreef ? Ach, zoveel kan mij dat niet schelen,
zucht Englert vanachter zijn bureau. Het is ook maar een
naam. Tijdens het gesprek blijkt echter al snel dat hij er toch
niet onverdeeld gelukkig mee is. Mij lijkt het niet meer dan
normaal dat een ontdekking vernoemd wordt naar haar ont-
dekkers, toch? Trouwens, wij waren eerst met onze publica-
tie. Overigens zijn er nog kapers op de kust die hun naam
Samen met de in 2011 overledenRobert Brout voorspelde de Brusselsetheoreticus Franois Englert vijftig jaar
geleden het bestaan van het higgs-boson. In 2012 werd het deeltje ook
daadwerkelijk ontdekt, en een jaar laterontving Englert de Nobelprijs Fysica.
Door Senne Srerckx
Franois Englert
Franois Englert (geb. 1932) studeerde in 1955 af als elektronica-ingenieur aan
de Franstalige Universit Libre de Bruxelles (ULB). Nadat hi j in 1959 zijn doctoraat
had behaald, trok Englert naar de Verenigde Staten, waar hij aan Cornell Univer-sity (in New York) als onderzoeksassistent van Robert Brout aan de slag ging. In
1961 keerde hij terug naar Brussel, en werd hij hoogleraar in de theoretische
natuurkunde aan zijn alma mater, de ULB. Niet veel later volgde zijn vroegere
mentor Robert Brout hem naar Brussel, waarna ze zich beiden toelegden op de
zich toen nog ontluikende kwantumveldentheorie een verklaringsmodel voor
de deeltjesfysica waarin niet de deeltjes de hoofdrol spelen, maar krachtvelden.
In 1998 ging Franois Englert met emeritaat. Anno 2012 is hij nog bijna dagelijks
in zijn kantoor aan de ULB te vinden, waar hij zich achter zijn bureau het hoofd
breekt over een of ander onopgelost vraagstuk in de theoretische natuurkunde.
Franois Englert won een aantal prestigieuze onderscheidingen, zoals de Franc-
qui-prijs (in 1982) en de Wolf Prize in Physics (samen met Robert Brout en Peter
Higgs). Maar de allergrootste onderscheiding krijgt hij in 2013: de Nobelprijs voor
natuurkunde.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
30/52
willen verbonden zien aan het boson, waarvan het bestaan
in juli experimenteel bevestigd werd (zie het kaderstukje
Higgs, BEH, of BEHGHK?). Toch verwacht ik dat het bij
Higgs zal blijven, zegt Englert. Want die naam is al jaren
ingeburgerd. Zoiets verander je niet van vandaag op morgen.Maar eigenlijk praat Englert veel liever over zijn vak, de the-
oretische natuurkunde, dan over het gedoe rond de naam-
geving. En dat doet hij met veel plezier en passie. Bovendien
staat hij erop dat hij het belang van de ontdekking van het
higgsboson even mag kaderen in de complexere realiteit van
het standaardmodel. Hij wil geen vage beschrijving geven
van het higgsdeeltje zoals dat door bijna alle populaire me-
dia wordt gedaan. Bij zulke beschrijvingen die vaak leuk
om lezen zijn, dat geef ik toe gaat er altijd iets van weten-
schappelijke correctheid verloren, en ongenuanceerde in-
formatie gaat al snel een eigen leven leiden. Je ziet waartoe
dit kan leiden: sommigen hebben het over het God-deeltje,
alsof het boson op een of andere manier verheven zou zijn
boven het proton, het elektron of het neutrino.
Zelfs de sobere zin het higgsdeeltje geeft gewicht aan de
natuur stoort Englert eigenlijk. Zelfs dt is te kort door de
bocht. Het is waar dat het bosonmechanisme massa geeft
aan sommigedeeltjes andere bosonen, bijvoorbeeld maar
zeker niet aan alle materiedeeltjes. Eigenlijk kun je het niet
correct uitleggen zonder gebruik te maken van complexe
wiskundige formules. (lacht) Maar ja, kun je in dat geval nog
wel zeggen dat je iets aan het uitleggen bent?
Waarin schuilt het belang van de ontdekking van het higgs-
deeltje dan precies? We laten Englert even doceren: In het
midden van de vorige eeuw hadden we een heel goede be-
schrijving van zowel de zwaartekracht als de elektromagne-
tische kracht. Die twee krachten zijn ons goed bekend, want
ze werken op zowel grote als kleine afstanden. Het volstond
naar de planeten en sterren te kijken, of wat met een mag-
neet te spelen, om inzicht te krijgen in die krachten. Maar
wat moesten we met de krachten die werkzaam zijn binnen-
in de atoomkern, die de protonen en neutronen samen hou-
den en die ervoor zorgen dat er zoiets bestaat als spontaan
radioactief verval? Want eenmaal voorbij de buitenste rand
van de atoomkern werken die krachten niet meer, het zijn
zogenaamde kortdragende kernkrachten.
Samen met Robert Brout bedacht ik een mechanisme dat
kon verklaren waarom de elektromagnetische kracht en dezwaartekracht over immense afstanden kunnen
dragen, terwijl de kernkrachten dat niet
kunnen. Door dat mechanisme
bezitten de krachtvoe-
rende deeltjes van
de kernkrachten,
de zogenaamde bo-
sonen, in tegenstel-
ling tot de fotonen bij
de elektromagnetische
kracht, wl een massa. Die
massa zorgt ervoor dat deze
deeltjes relatief traag zijn en
snel vervallen. Het is dit mechanisme, dat gebaseerd is op zo-
genaamde spontane symmetriebreking, dat wij voorstelden
in ons artikel uit 1964 en dat er dus voor zorgt dat de boso-
nen van de kernkrachten een massa bezitten. Later werd dit
het Higgs-mechanisme.
Terug naar 4 juli 2012. Die dag was het voor een keer eens
niet de crisis die het nieuws domineerde. Nee, die dag kwam
het grootste nieuwsfeit uit Genve, waar in het Europese lab
voor deeltjesfysica CERN de ontdekking van het higgsboson
wereldkundig werd gemaakt.
Een ontdekking in de natuurkunde stond op de voor-
pagina van alle kranten. Dat moet geleden zijn van de
dagen van Albert Einstein.
Franois Englert: Nu je het zegt dat denk ik wel, ja.
(lacht) Hoewel ik nu ook niet z oud ben dat ik mij Ein-
stein nog kan herinneren. Maar uit wat ik gelezen heb op
oude krantenpaginas, moeten we inderdaad teruggaan naar
1919 om iets vergelijkbaars te vinden. Toen werd door naar
een zonsverduistering te kijken, de algemene relativiteits-
theorie op een weergaloze manier bevestigd.
Ik denk ook dat de mate van complexiteit tussen beide the-
orien, aan de ene kant de relativiteitstheorie en aan de an-
dere kant het standaardmodel, verge-lijkbaar is. En toch is
In de zomer van1964 publiceerden
Englert en
Brout het eerste
wetenschappelijke
artikel dat het
higgsdeeltje
voorspelde.
Higgs
Deeltjesfysici vermoeden dat de deeltjes in het heelal vlak na de big bang nog
geen massa hadden. Pas toen de temperatuur daalde, ontstond het Higgsveld
en het overeenkomstige Higgsdeeltje of Higss-boson. Deeltjes krijgen een massadankzij de interactie met dat veld. Hoe sterker de interactie, hoe meer massa. Het
Higgsmechanisme is vergelijkbaar met een horde uitzinnige fans van een rocks-
ter. Stel je voor dat de ster ergens uit zijn limousine stapt en een wandelingetje wil
maken. Al snel krijgen fans hem in de gaten en ze omsingelen hem om een hand-
tekening te vragen. Als de rockster ergens wil geraken, zal hij zich een weg moe-
ten banen door de menigte. Zijn bewegingen worden daardoor erg bemoeilijkt, hij
raakt maar langzaam vooruit. Het lijkt wel alsof hij massa heeft bijgewonnen. Op
een analoge manier zorgt het Higgsveld ervoor dat materiedeeltjes massa krijgen.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
31/52
er een groot verschil: Einsteins theorie had rechtstreeks te
maken met de structuur van het universum, met het grotere,
overkoepelende theater. Dat sprak de mensen toen sterk aan,
ook al hadden ze nauwelijks een wetenschappelijke achter-
grond. Het was ook verbonden met diepere, zelfs religieuze
vragen. Dat is bij het standaardmodel toch wel anders. Het
begint al met het correct begrijpen van de onderliggende
theorie, de kwantummechanica. De consequenties van die
theorie kun je zeer moeilijk uitleggen aan een lekenpubliek.
Daarom denk ik niet dat de ontdekking van het boson nu
datzelfde soort gevoelens kan losmaken bij de mensen. Eer-
der een soort wow-gevoel, maar veel meer ook niet.
U vindt het zelf toch wel een belangrijke ontdekking?
Natuurlijk! Maar om volstrekt andere redenen. Wat deze
ontdekking mede zo belangrijk maakt, is het feit dat het
mechanisme achter het boson, dat door ons en door Peter
Higgs is voorgesteld, al dateert van vijftig jaar geleden. Er
zijn dus vijf decennia aan technologische ontwikkeling over
heen gegaan voor we het boson konden detecteren. Hier was
een immens krachtige deeltjesversneller voor nodig, name-
lijk de Large Hadron Collider.Dat zegt iets over de enorme
vooruitgang die we tijdens de tweede helft van de voorbije
eeuw hebben gerealiseerd.
Is het boson inderdaad het sluitstuk van de theorie van
het standaardmodel, zoals vaak wordt beweerd?
Waarschijnlijk wel, ja. Al kan het wel zijn dat een paar
eigenschappen van het boson die nog moeten worden on-
derzocht, niet helemaal overeenkomen met de theoretische
Higgs, BEH-deeltje of BEHGHK-boson?
Het higgsboson heeft verschillende vaders.
Zoals blijkt uit de publicatiedata van de we-
tenschappelijke artikels van Robert Brout
en Franois Englert (31 augustus 1964),
van Peter Higgs (19 oktober 1964), en van
het Amerikaans-Britse trio Gerald Guralnik,
Carl Hagen en Tom Kibble (16 november
1964), was het een fotofinish. Als we deze
chronologie moeten respecteren, verdienen
Brout en Englert de eer om als vaders van
het boson te worden gezien. Maar omdat
het bescheiden Belgen zijn, en ook omdat
Peter Higgs helemaal onafhankelijk van hen
tot hetzelfde idee was gekomen, zou men
in de plaats van over het higgsdeeltje, over
het BEH-deeltje spreken (Brout-Englert-
Higgs-deeltje). Maar ook Guralnik, Hagen
en Kibble claimen dat ze helemaal onafhan-
kelijk van Brout, Englert en Higgs indertijd
tot hetzelfde idee zijn gekomen, en ook zij
claimen een naamsverandering, naar iets in
de trant van het BEHGHK-boson (Brout-En-
glert-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-boson).
De toekomst zal het uitwijzen, maar waar-
schijnlijk blijft alles gewoon bij het oude en
blijft de alom gebruikte naam higgsboson
overeind.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
32/52
voorspellingen. Ik denk dan aan de aantallen geproduceerde
bosonen per kanaal (het boson kan in verschillende soor-
ten deeltjesbotsingen ontstaan, die elk een productiekanaal
vormen, red.). Als die verschillen met wat de theorie voor-
spelt, dan betekent dit dat het standaardmodel ook maareen benadering is van de werkelijkheid weliswaar een heel
goede en dat er een dieperliggende theorie aan de grond-
slag ligt.
Er is heel wat te doen vooral in de Belgische media
over de naamgeving van het deeltje. U hebt daarom
een compromisvoorstel uitgewerkt, waarin wordt ge-
sproken over het scalair boson.
Ik wil een naam die de lading dekt. Scalair betekent dat het
achterliggende krachtveld, waarvan het boson dus slechts
een materile uiting is, geen voorkeursrichting bezit. Dit
bosonveld strekt zich uit over het hele universum, en doordat
materiedeeltjes doorheen dit veld reizen, verkrijgen ze massa
als het ware door de wrijving die ze van dit veld ondervin-
den. Dit veld valt nog het best te vergelijken met een druk-
veld in een waterbassin, want daarbij speelt orintatie ook
geen rol. Bij een magnetisch veld heb je bijvoorbeeld wel een
voorkeursrichting, in de vorm van een magnetische noord-
en zuidpool. De naam klinkt nogal technisch, dat geef ik toe.
Maar hij zegt wel iets over een bijzondere eigenschap van het
bosonveld, namelijk dat het geen voorkeursrichting heeft
en dus zal het scalair boson ook geen spin bezitten.
U maakt de vergelijking met de macroscopische na-
tuurkunde die ons heel wat bekender in de oren klinkt.
Bent u op die manier indertijd ook op het Higgs-me-
chanisme gestoten?
Toen ik nog assistent van Brout in Cornell was, werkten we
samen rond ferromagnetisme. Dat was in het begin van de
jaren 1960. Rond die tijd publiceerde de Japanse theoreti-
cus Yoichiro Nambu een artikel waarin hij aantoonde dat de
klassieke faseovergangen tussen vast, vloeibaar en gasvor-
mig een equivalent hadden in de subatomaire fysica iets
wat hij spontane symmetriebreking noemde. Daarvoor
heeft hij enkele jaren geleden trouwens de Nobelprijs ge-
kregen. Wat Nambu echter niet deed, was het principe van
spontane symmetriebreking uitbreiden naar de fundamen-
tele krachten wat Brout en ik dus wel deden. Zo konden
we in de zomer van 1964 ons artikel publiceren waarin we
in de taal van de veldentheorie uitlegden wat een mechanis-me kon zijn dat aan de krachtvoerende deeltjes van de kern-
krachten massa zou verlenen een mechanisme gebaseerd
op Nambus symmetriebreking. De publicatie van Higgs
aan het eind van de zomer van 1964, was geschreven in een
meer klassieke stijl. Het spreekt trouwens in het voordeel
van Brout en mezelf dat de huidige formulering van het me-
chanisme nog altijd in het veldenjargon gebeurt.
Waarom volgde Robert Brout u eigenlijk naar Belgi?
Kreeg hij hier een betere aanbieding?
Nee, integendeel. Robert nam gewoon ontslag aan Cornell
en kwam zonder enig uitzicht op een vaste betrekking naar
Brussel al hielp het natuurlijk wel dat hij uitstekende re-
ferenties had, en ook dat zijn vrouw Belgische was. Robert
hield te veel van de Europese cultuur, hij voelde zich een ech-
te Europeaan, ondanks het feit dat hij was opgegroeid aan de
andere kant van de oceaan. Hij heeft zelfs niet gekozen voorde dubbele nationaliteit. Hij vroeg de Belgische aan, en toen
hij die had, liet hij zijn Amerikaanse nationaliteit ongedaan
maken. Zoiets kom je toch niet vaak tegen. Op den duur kreeg
hij, net als ik, een aanstelling aan de ULB en konden we ver-
der samenwerken in de theoretische natuurkunde.
Wat maakte dat jullie samenwerking zo vruchtbaar
was? Was het de combinatie van verschillende achter-
gronden?
Ik heb altijd gevonden dat Robert meer werkte in de An-
gelsaksische traditie, of hoe je dat ook noemt, terwijl ik mij
meer focuste op het formele aspect, zijnde de wiskundige
technieken wat je weer typisch Frans zou kunnen noemen.
Robert was heel goed in het verbeelden van zaken, in het
visualiseren van wiskundige formules. Op dat vlak kon je
hem vergelijken met Richard Feynman, die ook liever werkte
met eenvoudig uitziende diagrammen dan met complexe
wiskundige vergelijkingen wat overigens niet wil zeggen
dat ze op wiskundig gebied de mindere waren. Robert en ik
verstonden elkaar gewoon heel goed, en daarom konden we
zo goed samenwerken. Hij met zijn enorme verbeeldings-
kracht, en ik met mijn wiskundige expertise, we vulden el-
kaar perfect aan.
Welke vragen blijven er open, nu het bestaan van het
higgsboson is bevestigd?
Goh, er zijn er nog zoveel. Maar de belangrijkste vragen
gaan volgens mij toch over het incorporeren van de zwaar-
tekracht in het standaardmodel de zwaartekracht dus
verenigen met de drie andere krachten. Want een funda-menteel probleem blijft bestaan: het blijkt vooralsnog on-
mogelijk om de zwaartekracht te beschrijven in de taal van
het standaardmodel, zijnde de kwantummechanica. Het
grote probleem daarbij is natuurlijk dat experimenten hier-
omtrent zeer moeilijk zijn uit te voeren, want kwantumme-
chanische effecten op de zwaartekracht zijn zo ontiegelijk
klein dat we zelfs niet in de buurt komen om ze te kunnen
detecteren. Behalve dan misschien tijdens de eerste seconde
na de big bang, toen de zwaartekracht waarschijnlijk veel en
veel sterker was. We zullen dus een omweg moeten maken
via de kosmologie om tot een antwoord te komen.
Er waren vijf decennia
technologische ontwikkeling nodig
om het door ons voorspelde boson
te kunnen detecteren
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
33/52
DRINGEND GEZOCHT:SUPERSYMMETRIE
CRISIS IN DE DEELTJESFYSICA
De CMS-detector bij de Large Hadron Collider (LHC) begint in maart
2015 zijn finale zoektocht naar een bewijs voor supersymmetrie.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
34/52
Vroeg op een zomerse ochtend in 2012 waren we aan
onze derde espresso toe, toen de videolink ons kan-
toor van het California Institute of Technology verbond met
het laboratorium van het CERN nabij Genve. Op de moni-
tor zagen we onze collegas van het Razor-team, een van de
vele groepen fysici die data van het CMS-experiment bij
CERNs Large Hadron Collider (LHC) analyseren. Razor
werd gevormd om op zoek te gaan naar exotische botsingen
die voor het eerst het bestaan van supersymmetrie zouden
bewijzen.
Supersymmetrie is een 45 jaar oude theorie over materie en
een verbazingwekkend mooie oplossing voor de lastige pro-
blemen waarmee fysici al meer dan vier decennia worden
geconfronteerd. Ze levert antwoorden op een serie belang-
rijke waarom-vragen. Waarom hebben deeltjes de massadie ze hebben? Waarom hebben krachten de kracht die ze
hebben? Kortom, waarom ziet het universum eruit zoals het
eruit ziet?
Daarbovenop voorspelt supersymmetrie dat het universum
gevuld is met tot nog toe verborgen superpartners, deeltjes
die het mysterie van de donkere materie kunnen verklaren.
We overdrijven niet als we zeggen dat de meeste natuur-
kundigen die zich met deeltjesfysica bezighouden, geloven
dat supersymmetrie wel waar mot zijn de theorie is zo
onweerstaanbaar. Al lang hopen die fysici dat de Large Ha-
dron Collider uiteindelijk die superpartners zal vinden en zo
het harde bewijs zal leveren dat supersymmetrie een rele
beschrijving van het universum biedt.
Al decennialang werken fysiciaan een prachtige theorie die ons
een diepgaander inzicht in dekwantumwereld belooft. Vandaag
staan ze voor een tweespalt: binnen
het jaar bewijzen dat de theorie juistis, of geconfronteerd worden met eenhistorische ommekeer in de paradigmas.
Joseph Lykken en Maria Spiropulu
Maurizio Pierini, hoofd van het Razor-team, liet aan het
CERN nieuwe data zien. Negen tijdzones verderop konden
wij zien hoe iedereen rond hem de wenkbrauwen fronste:
er was een anomalie. Iemand moet kijken naar wat hier ge-
beurt, zei Pierini zakelijk. Met wat hier gebeurt bedoelde
hij een bijzondere botsing tussen twee protonen, een van de
triljoenen die in de Large Hadron Collider worden veroor-
zaakt.
Toen we de interessante botsing van naderbij bekeken, za-
gen we onmiddellijk dat het een smoking-gunsignaal van
supersymmetrie was. De zichtbare clusters gingen n kant
op, terugstotend tegen iets onzichtbaars misschien wel te-
gen een superpartner? Snel zagen we ook een grote, rode
uitschieter op het beeld. Kon het gaan om een vals signaal
van een slecht functionerende detector? Dat bleek inder-daad zo te zijn een zoveelste ontgoocheling in de blijkbaar
eindeloze zoektocht naar supersymmetrie.
De resultaten van de eerste runvan de Large Hadron Colli-
der sloten bijna alle best bestudeerde versies van supersym-
metrie uit. Dat leidt stilaan tot een crisis in de deeltjesfy-
sica, of in elk geval tot een wijdverspreide paniek. De Large
Hadron Collider zal begin 2015 zijn volgende runstarten.
Als aan het eind van die runniets nieuws tevoorschijn komt,
dan zal de fundamentele fysica voor een dilemma komen te
staan: ofwel het werk van een generatie opgeven omdat er
geen bewijs wordt gevonden dat de natuur zich volgens on-
ze regels gedraagt, ofwel verdergaan en hopen dat een nog
grotere testopstelling ooit het bewijs vindt dat we het al de
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
35/52
hele tijd bij het rechte eind hebben. Supersymmetrie maakt
deel uit van een ruimere poging om de grote kwantummys-
teries te doorgronden. We beschikken over een fantastisch
succesvolle theorie voor de subatomaire fysica, prozasch
het Standaardmodel van de deeltjesfysica genoemd. Datmodel combineert, om deeltjes en krachten te beschrijven,
kwantummechanica met Einsteins speciale relativiteitsthe-
orie. Materie is gemaakt van n soort deeltjes, fermionen
(zo genoemd naar Enrico Fermi) die bij elkaar worden ge-
houden door krachten die zijn gerelateerd aan een ander
soort deeltjes, bosonen (naar Satyendra Bose).
Het Standaardmodel biedt ons een excellente beschrijving
van wat in de subatomaire wereld gebeurt. Maar we ko-
men in de problemen zodra we beginnen vragen waarm
het Standaardmodel er zo uitziet. Zo stelt het model dat er
drie verschillende types leptonen (een type fermion) zijn:
elektronen, muonen en tau-deeltjes. Waarom zijn er drie?
Waarom geen twee, of vier, of vijftien? Het Standaardmo-
del heeft daar geen antwoord op. Dat moeten we op een
dieper niveau gaan zoeken. Op dezelfde wijze kunnen we
ons afvragen waarom een elektron de massa heeft die het
heeft. En waarom het lichter is dan, pakweg, het higgsbo-
son? Nogmaals: daarover zwijgt het Standaardmodel in alle
talen.
Theoretische deeltjesfysici spenderen aan dat soort vragen
heel wat tijd. Ze ontwikkelen modellen die verklaren waarom
het Standaardmodel eruit ziet zoals het is. De snaartheorie
bijvoorbeeld is een poging om een dieper niveau van de wer-
kelijkheid te bereiken. Andere voorbeelden zijn er volop. Al
die elkaar aanvullende theorien hebben echter te kampen
met een probleem. Elke theorie (zoals de snaartheorie) die
nieuwe fysica met zich meebrengt, impliceert het bestaan
van nieuwe hypothetische deeltjes. Die deeltjes kunnen een
extreem hoge massa hebben, wat zou verklaren waarom we
ze in versnellers als de Large Hadron Collider nog niet heb-
ben waargenomen, want deeltjes met een hoge massa zijn
moeilijk te creren. En toch zouden deeltjes met een hoge
massa gewone deeltjes, zoals het higgsboson, moeten be-
invloeden.
Waarom? Het antwoord ligt vervat in het vreemde wezen
van de kwantummechanica. Daar interageren deeltjes met
elkaar door middel van het uitwisselen van zogenaamde
virtuele deeltjes die nu eens bestaan en dan weer niet. Zois de repulsieve elektrische kracht tussen twee elektronen
beschreven als het uitwisselen van een virtueel foton tussen
de twee elektronen. Richard Feynman ontwikkelde elegante
regels om kwantumeffecten te beschrijven in termen van
stabiele deeltjes die met additionele virtuele deeltjes inter-
ageren.
In de kwantumtheorie echter zal alles wat niet strikt verbo-
den is, gebeuren, of toch tenminste occasioneel. Elektronen
zullen niet alleen met elkaar interageren door het uitwis-
selen van virtuele deeltjes, ze zullen ook interageren met
alle andere deeltjes ook met onze nieuwe, hypothetische
deeltjes die door een uitbreiding van het Standaardmodel
worden gesuggereerd. En die interacties kunnen ons voor
problemen plaatsen tenzij we iets als supersymmetrie
hebben.
Suzy
Neem nu het higgsboson, dat in het Standaardmodel ele-
mentaire deeltjes hun massa geeft. Als een higgsdeeltje ookmaar enkele superzware deeltjes had, dan zouden die met
elkaar praten door middel van virtuele kwantuminteracties.
Het higgsdeeltje zou zelf superzwaar worden. En een ogen-
blik daarna zou alles in het universum getransformeerd
worden in superzware deeltjes. U en ik zouden tot zwarte
gaten in elkaar klappen. De beste verklaring waarom dat
niet gebeurt, is supersymmetrie.
De basisidee van supersymmetrie, algemeen bekend onder
de bijnaam SUSY (uitgesproken als Suzy) is in de jaren
1970 ontwikkeld door fysici die genteresseerd waren in de
relatie tussen symmetrien en deeltjesfysica. Supersymme-
trie is niet n specifieke theorie, maar veeleer een raam-
werk van diverse theorien. Veel individuele modellen van
het universum kunnen, als ze een aantal eigenschappen
vertonen, supersymmetrisch zijn.
Veel gewone symmetrien vinden we terug in natuurkundi-
ge wetten voor deeltjes en krachten. Voor die wetten maakt
het niet uit waar we ons bevinden, wanneer we een meting
verrichten, welke richting we uitkijken en of we tegenover
de objecten die we observeren, bewegen of stilstaan. Deze
ruimtetijdsymmetrien impliceren mathematisch behouds-
wetten voor energie, momentum en impulsmoment. Van
de symmetrien zelf kunnen we de relatie afleiden tussen
energie, momentum en massa, uitgedrukt in de beroemde
formule E = mc2 . Dit alles is redelijk parate kennis sinds
1905, toen Albert Einstein zijn speciale relativiteitstheo-
rie ontwikkelde. Kwantumfysica lijkt deze symmetrien terespecteren. Wetenschappers hebben de symmetrien zelfs
gebruikt om nieuwe fenomenen te voorspellen. Zo toonde
Paul Dirac in 1930 aan dat als we kwantummechanica met
relativiteit combineren, ruimtetijdsymmetrien impliceren
dat elk deeltje een eraan gerelateerd antideeltje moet heb-
ben een deeltje met een tegengestelde lading. De idee leek
in die tijd gek, want niemand had ooit een antideeltje ge-
zien. Maar Dirac bleek het bij het rechte eind te hebben. Zijn
theoretische argumenten voor symmetrie leidden tot de ge-
durfde maar correcte voorspelling dat er ongeveer twee keer
zoveel deeltjes zijn als de wereld verwachtte.
Supersymmetrie steunt op een argument dat gelijkaardig is
aan dat van Dirac. Ze postuleert dat er een kwantumexten-
Natuurlijke supersymmetrie maakt
voor fysici de weg vrij om nieuwe
ideen te ontwikkelen die van het
Standaardmodel iets zinnigs maken
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
36/52
sie van ruimtetijd bestaat. Die wordt superruimte genoemd,
en deeltjes zijn in die superruimte symmetrisch. Superruim-
te kent geen gewone ruimtelijke dimensies als links-rechts
en boven-onder, maar veeleer extra fermionische dimensies.
In een fermionische dimensie is beweging erg beperkt. In
een gewone ruimtelijke dimensie kunnen we ons in elke
gewenste richting even ver bewegen als we willen, zonder
enige restrictie aan de grootte of het aantal stappen dat we
zetten. In een fermionische ruimte daarentegen is het aantal
stappen dat je kunt zetten beperkt. Zodra je n stap hebt
gezet, is de fermionische dimensie vol. Als je nog een stap
meer wil zetten, dan moet je ofwel naar een andere fermio-
nische dimensie overgaan, ofwel een stap terug zetten. Als
je een boson bent, dan verandert het zetten van n stap
in een fermionische dimensie je in een fermion; als je een
fermion bent, dan verandert n stap in een fermionischedimensie je in een boson. Meer nog, als je in een fermioni-
sche dimensie n stap zet en dan een stap terug zet, zal je
merken dat je je ook in de gewone ruimte of tijd minimaal
hebt verplaatst. Beweging in de fermionische dimensies is
dus, op een gecompliceerde manier, gelinkt aan gewone be-
weging.
Waarom is dit nu allemaal belangrijk? Omdat in een super-
symmetrische wereld de symmetrien tussen fermionische
dimensies de manier waarop deeltjes met elkaar kunnen in-
terageren, beperken. In het bijzonder kunnen zogenaamde
natuurlijke supersymmetrien in hoge mate de effecten van
virtuele deeltjes onderdrukken. Natuurlijke supersymme-
trien beletten higgsbosonen zo met hoogenergetische deel-
tjes te interageren dat we allemaal in zwarte gaten zouden
veranderen. Natuurlijke supersymmetrie maakt voor fysici
de weg vrij om nieuwe ideen te ontwikkelen die van het
Standaardmodel iets zinnigs maken.
Op zoek naar superpartners
Alle supersymmetrische theorien impliceren dat elk boson-
deeltje een fermion partnerdeeltje heeft, een superpartner,
en vice versa. Omdat geen van de bekende boson- en fermi-
ondeeltjes superpartners van elkaar lijken te zijn, kan su-
persymmetrie alleen correct zijn als er een groot aantal, nog
te ontdekken superpartnerdeeltjes bestaat. Dat is nu precies
de moeilijkheid. In de eenvoudigste, meest krachtige versies
van supersymmetrie natuurlijke supersymmetrie zouden
de superpartners niet veel zwaarder mogen zijn dan het
higgsboson. Dat betekent dat we ze met de Large HadronCollider moeten vinden. Had je het fysici tien jaar geleden
gevraagd, dan zouden de meesten van hen inderdaad heb-
ben gegokt dat we vandaag al een bewijs hadden voor het
bestaan van superpartners.
Toch deden we dat niet. Ik herinner mij de dag in 2009 dat
ik net voor middernacht bij de CMS-detector aan de slag
ging als hoofd van een nachtploeg. De controlekamer zat
vol fysici, ieder van hen bij een monitor van de verschillende
subsystemen van de bijzonder complexe, 14.000 metrische
ton wegende detector. Om twee uur die nacht kreeg ik tele-
foon van het CERN Control Center aan de andere kant van
de 27 kilometer lange ring van de Large Hadron Collider:
vannacht was d nacht. Ze gingen voor de hoogstenergeti-
Een vals
alarm in 2012:
twee oneven
deeltjesbundels(rood en paars)
impliceren het
ontsnappen
van donkere
superpartners
(groen).
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
37/52
sche protonenbotsing ooit uitgelokt. Om elf over vier was
de hele detector actief. Een muur van monitoren vertoonde
een wild beeld, met ultrasnel flitsende elektronische beel-
den van de botsingen, die twintig miljoen keer per seconde
optreden, honderd meter onder ons. Mijn hart ging wildtekeer in het vooruitzicht bepaalde patronen te herkennen.
Blijf rustig, zei ik tot mezelf, dit is nog maar een begin het
is verleidelijk botsingen visueel te analyseren, maar het is
onmogelijk op die manier iets te ontdekken.
Toch waren onze verwachtingen al van bij de prille start
hooggespannen. Met CMS (en met ATLAS) hadden we een
uitgebreid plan uitgewerkt om met de eerste data van de
Large Hadron Collider supersymmetrie te ontdekken. We
hadden hard gewerkt om in supersymmetrische signalen
deeltjes van donkere materie te vinden. Niet direct, maar
wel als ontbrekende energie: een onthullend onevenwicht
van zichtbare deeltjes die voor iets onzichtbaars terugdein-
zen. We gingen zelfs zo ver dat we al een template beschre-
ven om de ontdekking aan te kondigen, mt titel en datum.
Die paper moet nog altijd worden geschreven.
Leven na supersymmetrieTijdens een voordracht aan de University of California in
Santa Barbara sprak Princeton-fysicus Nima Arkani-Hamed
over de toekomst van supersymmetrie. Wat als we er niet in
slagen met de Large Hadron Collider het bestaan van super-
symmetrie aan te tonen, vroeg hij. En meteen beantwoordde
hij de vraag zelf: dan zullen we nieuwe supersymmetrische
modellen ontwikkelen die de superpartners net buiten het
bereik van de experimenten zullen plaatsen. Maar zou dat
niet betekenen dat we het hele verhaal herschrijven? Dat is
geen probleem; theoretici hoeven niet consistent te zijn al-
leen theorien moeten dat zijn.
Die onwankelbare trouw aan supersymmetrie wordt door
Upgrades van het CMS-experiment moeten in 2015 helpen bij de zoektocht naar supersymmetrie. Misschien zal dat zorgen voor enorme opwinding
onder deeltjesfysici, maar als de nieuwe run niets oplevert, worden we geconfronteerd met een breuk in het paradigma van de kwantumfysica.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
38/52
velen gedeeld. Deeltjestheoretici geven echter toe dat de
idee van natuurlijke supersymmetrie nu al in moeilijkheden
verkeert en, als we niet snel superpartners vinden, op weg is
naar het schemerduister van de geschiedenis.
Als supersymmetrie ons geen echte beschrijving van de we-reld biedt, wat dan wel? Hier zijn drie verschillende, specu-
latieve antwoorden. Ze impliceren alle drie volkomen nieu-
we manieren van denken over basisfysica en kosmologie:
Het multiversum.De sterkte van de fundamentele krach-
ten en de relatieve grootte van de deeltjesmassa zijn gekop-
peld aan getallen waarvan de oorsprong een mysterie blijft.
We houden niet van het idee dat die getallen op louter toeval
gebaseerd zijn, want als ze ook maar lichtjes anders zouden
zijn, dan zag het universum er helemaal anders uit. Atomen
zouden zich slechts met moeite kunnen vormen, leven zou
niet in staat zijn te evolueren. In het jargon van de theore-
tische fysica heet het dat het universum wel fijn afgesteld
lijkt. Die afstelling is echter misschien niet meer dan toeval
een notie die aantrekkelijker wordt als we het bestaan van
een multiversum postuleren. In het scenario van een mul-
tiversum ontstond na de oerknal niet alleen het universum
dat wij nu waarnemen, maar ook een groot aantal variaties
op dat universum die we niet kunnen zien. In dit geval luidt
het antwoord op vragen zoals waarom heeft het elektron de
massa die het heeft?, dat het puur toeval is. Andere elektro-
nen in het multiversum hebben andere elektronen met een
andere massa.
Maar voor heel wat fysici vertoont het multiversum een wei-
nig comfortabele gelijkenis met onzichtbare engelen, die de
anomalien van de deeltjesfysica verklaren.
Extra dimensies. Fysici Lisa Randall van Harvard Univer-
sity en Raman Sundrum van de University of Maryland heb-
ben aangetoond dat een extra dimensie met een vervormde
geometrie de zwakte van de zwaartekracht kan verklaren.
Als die extra dimensies microscopisch klein zijn, dan is het
mogelijk dat we ze simpelweg nog niet hebben waargeno-
men. Maar hun grootte en vorm zouden op de hoogener-
getische deeltjesfysica wel een dramatisch effect kunnen
hebben. In zulke modellen kunnen we in plaats van met de
Large Hadron Collider superpartners te vinden, misschien
Kaluza-Klein-modes aantreffen, exotisch zware deeltjeswaarvan de massa eigenlijk hun energie van beweging in de
extra dimensies is.
Dimensionale transmutatie. In plaats van een beroep te
doen op supersymmetrie om effecten van virtuele deeltjes te
onderdrukken, bestaat een nieuw idee erin die effecten juist
te omarmen en ze te gebruiken om te verklaren waar massa
vandaan komt. Neem bijvoorbeeld protonen. Een proton is
geen elementair deeltje. Het bestaat uit drie quarks, elk met
een minuscule massa, en uit gluonen, die helemaal geen
massa hebben. Het proton is veel zwaarder dan de som van
de massas van de quarks en de gluonen die binnen zitten.
Waar komt die massa dan vandaan? Die komt van de ener-
getische velden die worden gegenereerd door de sterke
kracht die het proton bij elkaar houdt. Onze kennis van die
velden maakt het mogelijk om, op basis van gewone getallen
zoals pi, accuraat de massa van het proton te voorspellen.
Het is voor de fysica een vreemde situatie. Gewoonlijk kun-
nen we massa alleen berekenen door van andere massas
gebruik te maken. Zo biedt het Standaardmodel ons geenoplossing om de massa van het higgsboson te voorspel-
len we moeten die massa meten. In de wetenschap dat
we op een slimme manier de massa van het proton kunnen
voorspellen, lijkt dit op een duidelijke fout. Zich baserend
op eerder werk van William A. Bardeen, een fysicus van het
Fermilab, suggereren enkele theoretici nu dat de higgsmas-
sa wordt gegenereerd door een gelijkaardig proces dat we
dimensionale transmutatie noemen.
Om de nuttige effecten van virtuele deeltjes te behouden
en intussen toch de desastreuze effecten ervan te vermij-
den wat de rol is van supersymmetrie moeten we popu-
laire speculaties overboord gooien over de manier waarop
we de wetten van de fysica bij superhoge energien kunnen
Op de rand van de ondergang
Het higgsboson vertelt ons heel wat over het higgsveld, een energetisch veld dat
de kosmos doordringt en elementaire deeltjes massa geeft. Voor zover we we-
ten, is dat veld constant. Een plotse verandering zou immers het universum ver-nietigen. Toch toont de recent gemeten waarde van het higgsboson aan dat het
higgsveld niet helemaal stabiel is. Kwantumeffecten kunnen het in een lagere
energetische toestand brengen en tijdens dat proces het universum vernietigen.
Maar maakt u zich vooral geen zorgen: dat zal de komende miljarden jaren niet
gebeuren. Supersymmetrie zou het higgsveld stabiel helpen houden.
0 50 100 150 200
200
150
100
50
0
Topquarkmassa(ingigaelektronv
olt)
Onstabiel (zwart)
Metastabiel
(blauw)
Stabiel (groen)
Gemeten waarden
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
39/52
unificeren. Het maakt bovendien de lang gezochte connec-
tie tussen kwantummechanica en algemene relativiteit ng
mysterieuzer dan hij al was. Toch heeft deze benadering
ook voordelen. In zulke modellen kunnen dezelfde kwan-
tumeffecten massa genereren voor donkere-materiedeeltjes.Ze voorspellen ook dat donkere materie met gewone mate-
rie interageert via een kracht die door het higgsboson wordt
gemedieerd. Deze dramatische voorspelling zal de volgende
jaren getest worden, zowel met de Large Hadron Collider als
met ondergrondse experimenten om donkere materie te de-
tecteren.
Meer hints
De ontdekking van het higgsboson toont aan dat overal in
het universum een higgsenergieveld elementaire deeltjes
massa geeft. Dat betekent dat het vacum van de lege
ruimte een drukke omgeving is waar zowel higgsenergie als
virtuele deeltjes voor een gecompliceerde dynamiek zorgen.
We kunnen ons nu afvragen of het vacum echt stabiel is
en of een ongelukkige kwantumgebeurtenis op een dag een
catastrofale transitie van ons universum naar een schone lei
triggert. Supersymmetrie zorgt ervoor dat het vacum sta-
biel blijft, en verhindert dat iets dergelijks zou gebeuren.
Maar zonder supersymmetrie hangt de stabiliteit van het
vacum in hoge mate af van de massa van het higgsboson:
een zwaarder higgsboson impliceert een stabiel universum
terwijl een lichter een eventuele ondergang inhoudt. Op-
merkelijk is nu dat de gemeten massa van het higgsboson
zich precies op de grens bevindt, wat betekent dat het va-cum langlevend maar uiteindelijk onstabiel is. De natuur
probeert ons iets te vertellen, maar we weten niet wat.
De toekomst?
Als bij de volgende runvan de Large Hadron Collider super-
partners worden ontdekt, dan zal de huidige angst van de
deeltjesfysici plaatsmaken voor enorme opwinding. Als de
nieuwe runniets oplevert, dan worden we geconfronteerd
met een breuk in het paradigma voor ons basale begrijpen
van de kwantumfysica. Dat vooruitzicht inspireert nu al
tot het radicaal herdenken van basisfenomenen die aan de
basis van de samenstelling van het universum liggen. Een
beter begrip van de eigenschappen van het higgsboson zal
bij het ontwikkelen van nieuwe paradigmas centraal staan.
Experimentele signalen van donkere materie, die eenzame
maar hardnekkige uitschieter van de deeltjesfysica, kunnen
uiteindelijk misschien een baken zijn die ons de weg voor-
waarts wijst. Scientific American.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
40/52
ASTROFYSICA
DE DUISTERE KANTVAN DE MELKWEG
Donkere materie stelt de astronomen niet alleen
voor raadsels, maar helpt hen ook bepaaldemysteries op te lossen.
Door Leo Blitz
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
41/52
Astronomen zijn maar heel geleidelijk gaan beseffen
hoe belangrijk donkere materie is in het heelal, maar
voor mij persoonlijk kwam dat inzicht in een flits. In het ka-
der van mijn eerste project als postdoctoraal onderzoeker
aan de Universiteit van Californi verrichtte ik in 1978 me-tingen aan de rotatiesnelheid van reusachtige moleculaire
wolken in de buitenste regionen van de Melkweg, waar
nieuwe sterren ontstaan. Nadat ik die snelheden had bere-
kend met de meest accurate methode waarover we destijds
beschikten, ging ik in de hal van het faculteitsgebouw zitten
om de uitkomsten handmatig op ruitjespapier uit te zetten.
Toevallig liepen daar twee andere Melkwegdeskundigen
langs, Frank Shu en Ivan King. Zij keken toe terwijl ik de
snelheden van de buitenste wolken in de grafiek invulde.
We zagen een patroon ontstaan dat in n oogopslag duide-
lijk maakte dat de Melkweg enorme hoeveelheden donkere
materie moet bevatten, vooral in de buitenste gebieden. Ge-
intrigeerd zaten we naar het papier te staren, en we braken
ons hoofd over de vraag wat de aard van die donkere materie
zou kunnen zijn, maar elk idee dat we wisten te verzinnen
bleek al snel onjuist.
Dit onderzoek was slechts een van de vele die de sterren-
kundigen er in de jaren 1970 en 1980 toe dwongen te con-
cluderen dat donkere materie een mysterieuze substan-
tie die geen licht uitzendt of absorbeert en zijn aanwezig-
heid alleen verraadt door de invloed die haar zwaartekracht
uitoefent niet alleen echt bestaat, maar zelfs het meest
voorkomende ingredint van het heelal is. Metingen door
de ruimtesonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe) bevestigen dat er vijf keer zoveel donkere materie be-
staat als gewone materie (protonen, neutronen, elektronen,
enzovoort). Wat dit nu eigenlijk voor substantie is, is nog
altijd een raadsel. De meest conservatieve hypothese gaat
ervan uit dat donkere materie bestaat uit een exotisch deel-
tje dat tot op heden niet is gedetecteerd in deeltjesversnel-
lers, maar dat wordt voorspeld door theorien die nog niet
zijn geverifieerd. De meest radicale hypothese luidt dat de
zwaartekrachtwet van Newton en de algemene relativiteits-
theorie van Einstein niet kloppen of in elk geval drastisch
herzien moeten worden, met alle onaangename gevolgen
van dien.
Ondanks deze grote hiaten in onze kennis levert donkere
materie ons de laatste tijd wel de sleutel om een aantal hard-nekkige mysteries te ontraadselen, bijvoorbeeld in verband
met ons Melkwegstelsel. Zo weten de astronomen al meer
dan vijftig jaar dat de buitenrand van de Melkweg kromge-
trokken is zoals een grammofoonplaat die een tijdje op een
verwarmingsradiator heeft gelegen. Ze slaagden er echter
niet in een model te ontwikkelen dat een plausibele verkla-
ring voor die vervorming bood tot ze op het idee kwamen
de effecten van de donkere materie in hun berekeningen op
te nemen. Computersimulaties van het ontstaan van ster-
renstelsels, gebaseerd op de veronderstelde eigenschappen
van donkere materie, voorspelden verder dat onze Melkweg
omringd zou moeten zijn door honderden of zelfs duizen-
den kleine satelliet-sterrenstelsels. Maar de waarnemingen
lieten er hoogstens zon twee dozijn zien. Als gevolg van
die discrepantie begonnen sommige onderzoekers eraan te
twijfelen of donkere materie wel de eigenschappen had die
men er tot dan toe aan had toegeschreven.
Maar de afgelopen jaren hebben verscheidene onderzoeks-
teams rondom de Melkweg diverse dwergstelsels ontdekt,
waardoor de kloof tussen theorie en waarneming iets klei-
ner is geworden. Deze nieuw ontdekte satellietstelsels le-
veren niet alleen een bijdrage aan de oplossing van een oud
probleem met betrekking tot de structuur van sterrenstel-
sels, ze vertellen ons misschien ook iets over de samenstel-
ling van de kosmos als geheel.
Om duidelijk te maken wat de donkere materie ons leert
over de Melkweg, moeten we eerst een algemeen beeld
schetsen van de opbouw van het sterrenstelsel. De gewone
materie sterren en gas bevindt zich voornamelijk in vier
structuren: een dunne schijf (met het patroon van spiraal-
In het kort
Donkere materie is een van de grote wetenschappelijke mysteriesvan onze tijd,
maar toen de astronomen eenmaal aanvaardden dat er werkelijk zoiets als donkere
materie bestaat, konden ze tal van andere raadsels van de kosmos oplossen.Zo kunnen we met behulp van donkere materie bijvoorbeeld verklaren waarom de
buitenste rand van de Melkweg zo duidelijk kromgetrokken is. Sterrenstelsels
die banen om de Melkweg beschrijven trekken er aan met hun zwaartekracht,
maar dat effect zou te zwak zijn als het niet werd versterkt door de aanwezigheid
van donkere materie.
Donkere materie verklaart ook waarom de Melkweg minder van dergelijke satel-
lietstelselslijkt te hebben dan de modellen voorspellen. De stelsels zijn er ver-
moedelijk wel, maar we kunnen ze moeilijk detecteren omdat ze vrijwel volledig
uit donkere materie bestaan.
De nevel N44
in de Grote
Magelhaense
Wolk, een groot
satellietstelsel dat
vermoedelijk de
donkere materie
in de Melkweg in
beroering brengt.
-
7/26/2019 Donkere_materie___superdeeltjes
42/52
armen waar ook onze zon in ligt), een dichte kern (die een
superzwaar zwart gat herbergt), een langwerpige centrale
verdikking die ook wel de balk wordt genoemd, en een el-
lipsvormige halo van oude sterren en clusters die de rest van
de Melkweg omhult. De donkere materie is heel anders ge-structureerd. Hoewel we haar niet kunnen zien, kunnen we
uit de rotatiesnelheden van sterren en gaswolken afleiden
waar de donkere materie zich moet bevinden. De gravita-
tie-effecten op de zichtbare materie doen vermoeden dat de
donkere materie bij benadering een bol vormt die zich uit-
strekt tot ver buiten de halo en een dichtheid heeft die in
het centrum het hoogst is en ongeveer met het kwadraat van
de afstand tot het centrum afneemt. Een dergelijke verde-
ling zou het natuurlijke resultaat zijn van een proces dat de
astronomen hierarchical merging noemen: het idee is dat in
het vroege heelal kleine sterrenstelsels samenklonterden en
zo grotere vormden, inclusief onze Melkweg.
Jarenlang wisten de astronomen geen betere beschrijving
van de donkere materie te geven dan het basale beeld van
een gigantische, ongedifferentieerde bol van een ongeden-
tificeerde substantie. Maar de laatste jaren zijn we erin ge-
slaagd wat meer details bijeen te sprokkelen, en het blijkt
dat donkere materie veel interessanter is dan we hadden
verwacht. Van verschillende kanten komen aanwijzingen
dat deze substantie niet zo gelijkmatig is verdeeld, maar op
grote schaal allerlei klonters vertoont.
Die ongelijkmatige verdeling zou het bestaan en de omvang
van de vervorming van de Melkweg kunnen verklaren, het
feit dat de schijf aan de rand als het ware is kromgetrok-
ken. Op een afstand van ongeveer 50.000 lichtjaren van het
centrum bestaat de schijf vrijwel volledig uit atomair water-
stofgas, met slechts een paar sterren. Als we dat gas met
een radiotelescoop bekijken, blijkt het niet in het vlak van
de Melkweg te liggen. Hoe verder van het centrum, des te
groter is de afwijking. Op een afstand van ongeveer 75.000
lichtjaren is de schijf zon 7.500 lichtjaren uit het vlak ge-
bogen.
Het gas draait niet alleen om het centrum van de Melkweg,
maar golft tegelijk ook op en neer, in en uit het vlak. Deze
trillingen strekken zich uit over periodes van honderden
of miljoenen jaren, en wij zien op een gegeven tijdstip een
momentopname van die cyclus. In