211service.com
Wat we niet weten in de natuurkunde
Staande op de brandtrap van zijn kantoor in Genève, Zwitserland, geniet assistent-professor natuurkunde Steven Nahn, PhD '98, van de avondlucht terwijl hij enkele van de grootste mysteries van het universum opsomt. De vraag waar hij aan werkt, zegt hij, is zo eenvoudig dat een kind hem zou kunnen stellen: waar komt massa vandaan?
Kosmische Detective: Professor Gabriella Sciolla heeft een apparaat gebouwd om donkere materie te detecteren.
Om het te beantwoorden, moet worden uitgelegd waarom de fundamentele deeltjes waaruit alle materie in het universum bestaat, massa hebben. Dus werken Nahn en ongeveer 30 andere MIT-onderzoekers en -studenten aan experimenten voor de Large Hadron Collider, de nieuwe deeltjesversneller van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek. De LHC is een oefening in extremen: bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt, zal het deeltjes versnellen tot de hoogste energieën die ooit experimenteel zijn bereikt, zijn duizenden krachtige magneten die protonen langs een cirkelvormig pad met een omtrek van 27 kilometer leiden totdat ze botsen. Het is de bedoeling dat het instrument later dit jaar volledig operationeel zal zijn, en Nahn denkt dat hij daar de helft van het jaar zal werken; zijn studenten en andere onderzoekers brengen het grootste deel van hun tijd door bij de LHC. Elk wil deel uitmaken van het team dat een van de grootste vragen in de natuurkunde onderzoekt.
Ik vind het ironisch, mijmert Nahn. Het lijkt een heel simpele vraag, maar er is een enorm gaspedaal voor nodig en duizenden natuurkundigen die eraan werken om het juiste antwoord te vinden.
Veel van de andere vragen die MIT-natuurkundigen aansturen, zijn net zo basaal. Een andere grote die LHC-experimenten zouden kunnen oplossen, betreft de aard van ongeveer 23 procent van het universum - de zogenaamde donkere materie, waarvan het bestaan wordt afgeleid uit zwaartekrachtseffecten op zichtbare objecten. Natuurkundigen weten gewoon niet wat het is. Waar zijn alle spullen? zegt Nahn half grappend. Je zou denken dat we het zouden weten.
Extra informatie : 'Wat we nog meer niet weten'
Natuurkundige zijn is puzzelen over wat de rest van ons als vanzelfsprekend beschouwt: dat objecten massa hebben, dat het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie, dat zwaartekracht werkt.
Natuurkundigen over de hele wereld werken nu aan het uitbreiden en herzien van de onderdelenlijst van het universum - wat bekend staat als het standaardmodel, een compacte destillatie van ongeveer 100 jaar onderzoek, dat probeert de deeltjes en krachten te beschrijven die verantwoordelijk zijn voor alle fysieke verschijnselen. Het standaardmodel omvat 12 fundamentele deeltjes die de materie vormen zoals wij die kennen, plus hun gelijke maar tegengestelde antideeltjes. Het omvat de vier fundamentele krachten die interacties tussen deeltjes bepalen: zwaartekracht, elektromagnetisme (dat verantwoordelijk is voor licht, magnetisme en elektriciteit), en de sterke en zwakke krachten (die de interacties binnen atoomkernen bemiddelen). En het omvat deeltjes die de vier krachten dragen, hoewel degene die de zwaartekracht draagt hypothetisch blijft.
Dit raamwerk verbindt alles waarvan deeltjesfysici weten dat het waar is. Het vertelt ons dat atoomkernen, waarvan ooit werd gedacht dat ze ondeelbaar waren, bestaan uit protonen en neutronen; protonen en neutronen zijn verder deelbaar in deeltjes die quarks worden genoemd en die bij elkaar worden gehouden door de sterke kracht, waarvan de drager het gluon is.
Professor Frank Wilczek, die in 2004 de Nobelprijs voor natuurkunde won voor zijn werk aan de sterke kracht, zegt dat het standaardmodel een goede werkbeschrijving is van hoe de wereld werkt. Maar het past niet allemaal zo mooi bij elkaar als hij en anderen denken dat het zou moeten. Het gebrek aan experimenteel bewijs voor de drager van de zwaartekracht, het graviton, is een bron van frustratie, hoewel natuurkundigen van het MIT een pioniersrol hebben gespeeld bij het proberen het te detecteren en momenteel machines upgraden die misschien als eerste slagen (zie Catching Einstein's Waves, mei /juni 1008). En dat is slechts een van de vele losse eindjes die MIT-natuurkundigen proberen aan elkaar te knopen.
Daartoe bouwen ze donkere-materiedetectoren; zoeken naar fundamentele deeltjes die een aanvulling vormen op de deeltjes die we kennen; en reikhalzend uitkijkend naar de resultaten van deeltjesbotsingen bij de LHC, waardoor natuurkundigen eindelijk tientallen jaren theoretisch werk kunnen testen aan deze grimmige wiskundige beschrijvingen van ons universum.
Waarom hebben dingen massa?
Voor Nahn is massa het meest intrigerende ontbrekende stukje van de puzzel. Als je gewoon de meest simpele theorie neemt, zou het je vertellen dat alle [de deeltjes] massaloos zijn, zegt hij. Of je nu een leek bent of een natuurkundige, gewapend met geavanceerde deeltjesdetectoren, dit vooruitzicht lijkt absurd. Elektronen, die een verwaarloosbare fractie van de massa in individuele atomen uitmaken, hebben een massa van ongeveer .0005 giga-elektron-volt (GeV); het zwaarste fundamentele deeltje, de top-quark, heeft een massa van ongeveer 175 GeV. Op de een of andere manier moet je een manier in de theorie opnemen om deze diversiteit aan massa te genereren, zegt Nahn. De eenvoudigste manier om dit te doen, is door een ander deeltje te poneren, dat het Higgs-deeltje is gaan heten. Wat fotonen zijn voor een elektromagnetisch veld, zijn Higgs-bosonen voor het vermeende Higgs-veld, een medium dat alles in het universum omringt en interageert met elementaire deeltjes op een manier die ze massa geeft.
Wilczek zegt dat we zonder het Higgs-deeltje als een ras van intelligente vissen zijn die niet weten dat ze ondergedompeld zijn in water. Deze vissen zouden een betere kans hebben om de wetten van hun universum te begrijpen als ze zich realiseerden dat de omgeving die ze als vanzelfsprekend beschouwden een materiaal was dat de manier waarop ze zich voortbewogen veranderde, zegt Wilczek. Evenzo, als we aannemen dat wat voor ons als lege ruimte lijkt een medium is … we hebben mooiere vergelijkingen dan anders. Maar we weten niet hoe [het Higgs-deeltje] eruit ziet - alsof we geen watermoleculen hebben gezien.
Natuurkundigen zullen gemakkelijk toegeven dat voor niet-ingewijden, het aanroepen van hypothetische, nooit eerder geziene deeltjes om problemen met je theorieën op te lossen misschien gekunsteld of zelfs, in de woorden van Nahn, een beetje gek lijkt. Maar deze aanpak is al eerder deugdelijk gebleken. Aan het einde van de 19e eeuw ontwikkelde Dmitri Mendelejev het periodiek systeem en voorspelde hij verschillende chemische elementen die vervolgens werden waargenomen, waaronder gallium en germanium. In 1931 postuleerde Paul Dirac het bestaan van antimaterie om een raadselachtige consequentie te verklaren van een vergelijking die hij had afgeleid om ons begrip van elektronen te verzoenen met relativiteit. En Wilczek van MIT voorspelde het gluon, dat in 1979 direct werd gedetecteerd.
Omdat Higgs-bosonen zeer onstabiel zijn, is de enige manier om er een te observeren het te creëren in een botsing met hoge energie. En geen eerdere deeltjesversnellers waren krachtig genoeg om een betrouwbaar detecteerbaar aantal Higgs-bosonen te produceren, waarvan wordt voorspeld dat ze een massa hebben tussen 114 GeV en 184 GeV. De LHC zal protonen echter tegen elkaar slaan met energieën die zeven keer zo hoog zijn als die worden bereikt door de krachtigste versneller die nu in bedrijf is. We moeten dit Higgs-deeltje, of iets dergelijks, vinden op deze energieschaal, zegt Nahn. Natuurkundigen hopen dat ze de Higgs vinden, want als ze dat niet doen, zullen ze gedwongen worden te concluderen dat het massaprobleem van het standaardmodel een complexere oplossing heeft. Maar voor velen van hen, waaronder Nahn, is het opwindend genoeg om de Higgs-theorie eindelijk experimenteel te kunnen testen. De nieuwe versneller, die kort na de opening in de herfst werd stilgelegd voor reparaties, zal naar verwachting in het voorjaar van 2009 weer online gaan; tot die tijd werken Nahn en zijn studenten aan software die de werking van een van de LHC-detectoren in de gaten houdt en uiteindelijk de gegenereerde gegevens analyseert (zie The Making of a New Collider, mei/juni 2008).
Zijn de vier krachten verenigd?
Theoretici zoals Wilczek proberen ook het standaardmodel zelf wiskundig mooier en experimenteel haalbaarder te maken. Elk van de vier krachten heeft zijn eigen set van regerende vergelijkingen. Maar de vergelijkingen zijn scheef, zegt Wilczek. Hij en anderen geloven echter dat de krachten als vier zijden van een wiskundige dobbelsteen zijn. Ze zijn discreet, maar elk maakt ook deel uit van een geheel. Wilczek wijst erop dat hoewel de krachten over het algemeen verschillende sterktes hebben, ze voor deeltjes die heel dicht bij elkaar liggen, dezelfde sterkte hebben. Dit suggereert dat de wiskundige impuls om de krachten samen te brengen tot een geheel dat wordt beheerst door een grootse unificatietheorie op de goede weg is. Elektromagnetisme en de zwakke kracht passen wiskundig zo goed bij elkaar dat ze al vaak worden aangeduid als één kracht, de elektrozwakke. De vergelijkingen voor de sterke kracht zijn vergelijkbaar met die voor elektromagnetisme en de zwakke kracht. Degene die moeilijk in te passen is, zegt Wilczek, is de zwaartekracht.
Het lijkt misschien vreemd dat natuurkundigen zoveel vertrouwen stellen in de voorspellingen van de wiskunde. Maar, zegt Wilczek, ik vertrouw mijn eigen mening niet tenzij de natuur ons wat aanmoedigt. Het is waarschijnlijk geen toeval dat de vergelijkingen zo op elkaar lijken, merkt hij op. De krachten hoefden niet samen te komen, zegt hij. De vergelijkingen hoefden er niet uit te zien als verschillende gezichten van dezelfde dobbelsteen.
Wilczek heeft nog niet de voldoening gehad de eenwording experimenteel tot stand te zien komen: natuurkundigen hadden simpelweg de middelen niet. Er is echter een manier om de theorie te testen. Door nog een batch deeltjes aan het standaardmodel toe te voegen, wordt de wiskunde voor unificatie werk. Elk van deze theoretische supersymmetrische deeltjes zou een interactie aangaan met andere deeltjes op dezelfde manier als een van de bekende deeltjes, maar zou veel massiever zijn. Wilczek hoopt dat de hoogenergetische botsingen van de LHC ten minste één supersymmetrisch deeltje zullen produceren. Theoretici zoals hij werken al tientallen jaren aan vragen zonder ze te kunnen testen; nu, zegt hij, halen de experimentatoren hun achterstand in.
Wat is donkere materie?
Gabriella Sciolla, universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT, hoopt supersymmetrie te valideren door experimenten met donkere materie. Natuurkundigen weten, door de zwaartekrachtinteracties van sterrenstelsels en andere hemellichamen te observeren, dat er veel meer massa in het universum is dan ze kunnen verklaren door te zoeken naar de soorten die door het standaardmodel worden geïdentificeerd. Deze ontbrekende massa wordt donkere materie genoemd omdat deze geen interactie heeft met fotonen. Het is niet te zien met optische of röntgentelescopen. Natuurlijk ben ik een beetje bevooroordeeld, maar voor mij is de meest interessante open vraag in de natuurkunde: wat is donkere materie? zegt Sciolla. Een simpele verklaring is dat het bestaat uit een of meer van de supersymmetrische deeltjes.
In de ingewanden van gebouw NW13, in een raamloze kamer met sintelblokken die haar onderzoeksgroep de kerker noemt, test Sciolla een nieuw apparaat genaamd de Dark Matter Time Projection Chamber - in wezen een grote roestvrijstalen tank met gas geflankeerd door twee digitale camera's . Het principe achter de detector is eenvoudig. Wanneer een deeltje donkere materie een gasatoom raakt, zal het atoom terugdeinzen en elektronen losschieten die door de camera's zullen worden gedetecteerd. Door de paden van deze elektronen te volgen, zal Sciolla niet alleen kunnen zien dat een deeltje is ingeslagen, maar ook vanuit welke richting. Dat zal belangrijk zijn om vast te stellen dat de detector donkere materie ziet en niet iets anders. Als, zoals veel natuurkundigen geloven, ons melkwegstelsel door een stationair gebied van donkere materie draait, dan zou de donkere materie de atomen in Sciolla's detector moeten treffen als regen die de voorruit van een rijdende auto raakt. De richting van deze regen zou elke 12 uur met ongeveer 90º moeten variëren, omdat de rotatie-as van de aarde ongeveer 45º is ten opzichte van de donkere materie.
Sciolla en haar onderzoeksgroep zullen hun detector in een ondergronds laboratorium plaatsen om deze te isoleren van kosmische straling, een belangrijke bron van ruis, en in 2009 zullen ze voorlopige gegevens verzamelen om te bewijzen dat het concept werkt. Over een jaar hoopt Sciolla een detector van één kubieke meter te hebben die 50 keer zo gevoelig zal zijn; over vijf jaar hoopt ze een detector te hebben die zo groot is als een paar honderd kubieke meter.
Het vinden van donkere materiedeeltjes zou voor de natuurkundige het equivalent zijn van het winnen van de jackpot. Al deze grote vragen in de natuurkunde zijn op de een of andere manier met elkaar verbonden, zegt Sciolla. Donkere materie is het enige antwoord dat zou voldoen aan zoveel verschillende onbeantwoorde vragen op verschillende gebieden van de natuurkunde. Het detecteren ervan zou sterk bewijs leveren voor supersymmetrie.
Als donkere materie niet uit supersymmetrische deeltjes blijkt te bestaan, maar uit axionen, hypothetische deeltjes waarvoor Wilczek belangrijk werk heeft verricht om te beschrijven, zou die bevinding tot een andere grote vraag kunnen leiden. Axions spelen een prominente rol in een esoterische theorie die verklaart waarom materie – in tegenstelling tot antimaterie – de overhand heeft in het universum, ook al produceerde de oerknal alle deeltjes en hun antideeltjes in gelijke aantallen.
Wat is donkere energie?
Zelfs als donkere materie wordt gedetecteerd en de aard ervan wordt onthuld, roept een ander merkwaardig fenomeen dat natuurkundigen donkere energie hebben genoemd, tal van andere vragen op. Sterrenstelsels worden uit elkaar geduwd door een afstotende kracht, legt Edmund Bertschinger, hoofd van de afdeling natuurkunde, uit. De metingen van het afgelopen decennium vertellen ons dat iets dat erg lijkt op afstoting van de zwaartekracht het universum heeft overgenomen. Dat wil zeggen, het universum breidt zich steeds sneller uit, maar natuurkundigen weten niet waarom. Komt het door donkere energie? Of is donkere energie slechts een concept dat herstelt van een misverstand over de wetten van de fysica?
Ondanks de overeenkomst in hun namen, is donkere energie waarschijnlijk helemaal niet gerelateerd aan donkere materie - en is het een veel groter mysterie. Er zijn plausibele verklaringen voor donkere materie, zegt Bertschinger. We hebben geen plausibele modellen van donkere energie die logisch zijn in de context van hoge-energiefysica. Het werk van Bertschinger en vele anderen heeft aangetoond dat tests om onderscheid te maken tussen donkere energie en een gewijzigde vorm van zwaartekracht erg moeilijk te ontwikkelen zijn. Bertschinger doet echter theoretisch werk waarvan hij hoopt dat het de komende tien jaar tot dergelijke tests zal leiden.
Dit is een grote tijd in de natuurkunde, zegt Sciolla. Alles krijgt de komende jaren een antwoord, hopen we. En dan wat? Dan zitten zij en haar collega's misschien wel zonder werk, grapt Sciolla. Maar, voegt ze eraan toe, ik weet zeker dat er tal van nieuwe vragen zullen zijn die onbeantwoord zullen blijven.